Геном человека

   План

Введение 

Понятие геном 

Происхождение названия

Структура и размер

Особенности строения генома человека

Проект «Геном человека»

Заключение 

Список использованной литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение 

Геном человека — совокупность наследственного материала, заключенного в клетке человека. Человеческий геном  состоит из 23 пар хромосом, находящихся  в ядре, а также митохондриальной ДНК. Двадцать две аутосомные хромосомы, две половые хромосомы Х и Y, а также митохондриальная ДНК человека содержат вместе примерно 3,1 млрд пар оснований.

В ходе выполнения проекта  «Геном человека» была определена последовательность ДНК всех хромосом и митохондриальной ДНК. В настоящее время эти данные активно используются по всему миру в биомедицинских исследованиях. Полное секвенирование выявило, что человеческий геном содержит 20—25 тыс. активных генов, что значительно меньше, чем ожидалось в начале проекта (порядка 100 тыс.) — то есть только 1,5 % всего генетического материала кодирует белки или функциональные РНК. Остальная часть является некодирующей ДНК, которую часто называют мусорной ДНК.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Геном

Гено́м — совокупность наследственного материала, заключенного в клетке организма. Геном содержит биологическую информацию, необходимую для построения и поддержания организма. Большинство геномов, в том числе геном человека и геномы всех остальных клеточных форм жизни, построены из ДНК, однако некоторые вирусы имеют геномы из РНК.

   Существует также и другое определение термина «геном», в котором под геномом понимают совокупность генетического материала гаплоидного набора хромосом данного вида.

   У человека (Homo sapiens) геном состоит из 23 пар хромосом, находящихся в ядре, а также митохондриальной ДНК. Двадцать две аутосомы, две половые хромосомы Х и Y, а также митохондриальная ДНК человека содержат вместе примерно 3,1 млрд пар оснований.

Происхождение названия.

Термин «геном» был  предложен Гансом Винклером в 1920 году в работе, посвящённой межвидовым амфидиплоидным растительным гибридам, для описания совокупности генов, заключённых в гаплоидном наборе хромосом организмов одного биологического вида. В Оксфордском энциклопедическом словаре указано, что термин образован слиянием слов «ген» и «хромосома». Однако Джошуа Ледерберг и Алекса T. МакКрэй считают, что ботаник Г.Винклер должен был быть знаком с ботаническими терминами «ризом», «таллом», «трахеом» и т. д. Все эти термины возникли до 20-х годов XX века, и суффикс «-ом» в них означает объединение частей в целое, например, «ризом» означает всю корневую систему растения. Таким образом, «геном» можно понимать как объединение генов в целое.

    До недавнего времени термин «геном» использовался в двух смыслах. У эукариот геном соответствовал гаплоидному набору хромосом с локализованными в них генами. Генетики бактерий и вирусов употребляли термин «геном» для обозначения совокупности наследственных факторов одной хромосомы или группы сцепления прокариот. В генетике бактерий семантика термина «геном» претерпела дрейф в сторону обозначения всей наследственной конституции клетки, включая самые разные внехромосомные факультативные элементы. Постепенно в этом смысле термин «геном» стали употреблять и в генетике эукариот.

    Первоначальный смысл этого термина указывал на то, что понятие генома, в отличие от генотипа, является генетической характеристикой вида в целом, а не отдельной особи. С развитием молекулярной генетики значение данного термина изменилось. В настоящее время под «геномом» понимают совокупность наследственного материала конкретного представителя вида, примером может служить международный проект «1000 геномов», целью которого является секвенирование геномов 1000 человек.

    Структура и размер генома.

Известно, что ДНК, которая  является носителем генетической информации у большинства организмов и, следовательно, составляет основу генома, включает в  себя не только гены в современном смысле этого слова.

Большая часть ДНК эукариотических клеток представлена некодирующими («избыточными») последовательностями нуклеотидов, которые не заключают в себе информации о белках и РНК.

Генетическая информация в клетках содержится не только в  хромосомах ядра, но и во внехромосомных молекулах ДНК. У бактерий к таким ДНК относятся плазмиды и некоторые умеренные вирусы, в клетках эукариот — это ДНК митохондрий, хлоропластов и других органоидов клеток .

      Объёмы генетической информации, заключённой в клетках зародышевой линии (предшественники половых клеток и сами гаметы) и соматических клетках, в ряде случаев существенно различаются. В онтогенезе соматические клетки могут утрачивать часть генетической информации клеток зародышевой линии, амплифицировать группы последовательностей и (или) значительно перестраивать исходные гены.

    Следовательно, под геномом организма понимают суммарную ДНК гаплоидного набора хромосом и каждого из внехромосомных генетических элементов, содержащуюся в отдельной клетке зародышевой линии многоклеточного организма.

   В определении генома отдельного биологического вида необходимо учитывать, во-первых, генетические различия, связанные с полом организма, поскольку мужские и женские половые хромосомы различаются.

     Во-вторых, из-за громадного числа аллельных вариантов генов и сопутствующих последовательностей, которые присутствуют в генофонде больших популяций, можно говорить лишь о некоем усреднённом геноме, который сам по себе может обладать существенными отличиями от геномов отдельных особей.

Проект «Геном человека»

  Проект по расшифровке генома человека (англ. The Human Genome Project, HGP) — международный научно-исследовательский проект, главной целью которого было определить последовательность нуклеотидов, которые составляют ДНК и идентифицировать 20—25 тыс. генов в человеческом геноме.

  Проект начался в  1990 году, под руководством Джеймса  Уотсона под эгидой Национальной  организации здравоохранения США.  В 2000 году был выпущен рабочий  черновик структуры генома, полный  геном — в 2003 году, однако и  сегодня дополнительный анализ  некоторых участков ещё не  закончен. Частной компанией «Celera Genomics (англ.)» был запущен аналогичный параллельный проект, завершённый несколько ранее международного. Основной объём секвенирования был выполнен в университетах и исследовательских центрах США, Канады и Великобритании. Кроме очевидной фундаментальной значимости, определение структуры человеческих генов является важным шагом для разработки новых медикаментов и развития других аспектов здравоохранения.

    Хотя целью  проекта по расшифровке генома  человека является понимание  строения генома человеческого  вида, проект также фокусировался  и на нескольких других организмах, среди которых бактерии, в частности,  Escherichia coli, насекомые, такие как мушка дрозофила, и млекопитающие, например, мышь.

     Изначально  планировалось определение последовательности  более трёх миллиардов нуклеотидов,  содержащихся в гаплоидном человеческом  геноме. Затем несколько групп  объявили о попытке расширить  задачу до секвенирования диплоидного генома человека, среди них международный проект HapMap (англ.), «Applied Biosystems», «Perlegen», «Illumina», «JCVI», «Personal Genome Project» и «Roche-454».

    Геном любого  отдельно взятого организма (исключая  однояйцевых близнецов и клонированных  животных) уникален, поэтому определение  последовательности человеческого  генома в принципе должно включать  в себя и секвенирование многочисленных вариаций каждого гена. Однако, в задачи проекта «Геном человека» не входило определение последовательности всей ДНК, находящейся в человеческих клетках; а некоторые гетерохроматиновые области (в общей сложности около 8 %) остаются несеквенированными до сих пор.

 

Цели

   Последовательность  человеческой ДНК сохраняется  в базах данных, доступных любому  пользователю через Интернет. Национальный  центр биотехнологической информации  США (и его партнёрские организации  в Европе и Японии) хранят геномные  последовательности в базе данных  известной как GenBank, вместе с последовательностями известных и гипотетических генов и белков. Другие организации, к примеру Калифорнийский Университет в Санта-Круз (англ.)[8] и Ensembl[9] поддерживают дополнительные данные и аннотации, а также мощные инструменты для визуализации и поиска в этих базах. Были разработаны компьютерные программы для анализа данных, потому что сами данные без таких программ интерпретировать практически невозможно.

  Процесс идентификации  границ генов и других мотивов  в необработанных последовательностях  ДНК называется аннотацией генома (англ.) и относится к области  биоинформатики. Эту работу при помощи компьютеров выполняют люди, но они делают её медленно и, чтобы удовлетворять требованиями высокой пропускной способности проектов секвенирования геномов, здесь также всё шире используют специальные компьютерные программы. Лучшие на сегодняшний день технологии аннотации используют статистические модели основанные на параллелях между последовательностями ДНК и человеческим языком, пользуясь такими концепциями информатики как формальные грамматики.

  Другая, часто упускаемая  из виду цель проекта «Геном  человека» — исследование этических,  правовых и социальных последствий  расшифровки генома. Важно исследовать  эти вопросы и найти наиболее  подходящие решения до того, как  они станут почвой для разногласий  и политических проблем.

   Все люди имеют  в той или иной степени уникальные  геномные последовательности. Поэтому  данные, опубликованные проектом  «Геном человека», не содержат  точной последовательности геномов  каждого отдельного человека. Это  комбинированный геном небольшого  количества анонимных доноров.  Полученная геномная последовательность  является основой для будущей работы по идентификации разницы между индивидуумами. Основные усилия здесь сосредоточены на выявлении однонуклеотидного полиморфизма.

   Почти все цели, которые ставил перед собой  проект, были достигнуты быстрее,  чем предполагалось. Проект по  расшифровке генома человека  был закончен на два года  раньше, чем планировалось. Проект  поставил разумную, достижимую цель  секвенирования 95 % ДНК. Исследователи не только достигли её, но и превзошли собственные предсказания, и смогли секвенировать 99,99 % человеческой ДНК. Проект не только превзошёл все цели и выработанные ранее стандарты, но и продолжает улучшать уже достигнутые результаты.

 

Предпосылки

     Проект стал  кульминацией нескольких лет  работы поддержанной министерством  энергетики США, в частности  семинаров проводившихся в 1984-м  и 1986-м годах, и последовавшими  действиями министерства энергетики. Отчёт 1987 года чётко указывает:  «Окончательной целью данного  начинания является понимание  человеческого генома» и «знание  человеческого генома так же  необходимо для прогресса медицины  и других наук о здоровье, как  знание анатомии было необходимо  для достижения её нынешнего  состояния». Поиски технологий, подходящих  для решения предложенной задачи, начинались ещё во второй половине 80-х годов.

     Начиная с  1988 года, главой Национального Центра  Исследований Человеческого Генома  в Национальной Организации Здравоохранения  США (NIH) был Джеймс Уотсон. В  1992 его вынудили уйти в отставку, в основном из-за несогласия  с позицией его руководителя, Бернадины Хили (англ.) по вопросам патентования генов (англ.). В апреле 1993 его заменил Френсис Коллинз, а в 1997 году название центра было изменено на Национальный Институт Исследований Человеческого Генома (англ.) (NHGRI).

   Трёхмиллиардный  проект был формально запущен  в 1990 году министерством энергетики  США и национальным институтом  здравоохранения, и ожидалось,  что он продлится 15 лет. Помимо  США, в международный консорциум  вошли генетики Китая, Франции,  Германии, Японии и Великобритании.

    В силу широкой  международной кооперации и новых  достижений в области геномики (особенно в секвенировании), а также значительных достижений в вычислительной технике, «черновик» генома был закончен в 2000 году (о чём было объявлено совместно тогдашним президентом США Биллом Клинтоном и британским премьер-министром Тони Блэром 26 июня 2000 года). Продолжение секвенирования привело к объявлению в апреле 2003 года о почти полном завершении работы, на 2 года раньше, чем планировалось. В мае 2006 года, была пройдена другая веха на пути к завершению проекта, когда в журнале «Nature» была опубликована последовательность последней хромосомы — Хромосомы 1

Завершённость

Репликация ДНК

   Существуют многочисленные  определения «полной последовательности  человеческого генома». Согласно  некоторым из них, геном уже  полностью секвенирован, а согласно другим, этого ещё предстоит добиться. В популярной прессе было множество статей, сообщающих о «завершении» генома. Согласно определению, которое использует Международный проект по расшифровке генома человека, геном расшифрован полностью. График истории расшифровки проекта показывает, что большая часть человеческого генома была закончена в конце 2003 года. Однако ещё остаётся несколько регионов, которые считаются незаконченными:

   Прежде всего, центральные  регионы каждой хромосомы, известные  как центромеры, которые содержат большое количество повторяющихся последовательностей ДНК; их сложно секвенировать при помощи современных технологий. Центромеры имеют длину миллионы (возможно десятки миллионов) пар нуклеотидов, и, по большому счёту, остаются несеквенированными.

   Во-вторых, концы хромосом, называемые теломерами, также состоящие из повторяющихся последовательностей, и по этой причине в большинстве из 46 хромосом их расшифровка не завершена. Точно не известно, какая часть последовательности остаётся не расшифрованной до теломер, но как и с центромерами, существующие технологические ограничения препятствуют их секвенированию.