Геномика. Размеры, структура и особенности организации геномов различных групп организмов

Гено́мика — раздел молекулярной генетики, посвящённый изучению генома и генов живых организмов.

Комплексное изучение структуры и функции генома привело к формированию самостоятельной научной дисциплины, названной «геномикой». Предмет этой науки -строение геномов человека и других живых существ (растений, животных, микроорганизмов и др.), задача - применить полученные знания для улучшения качества жизни человека. В рамках этой новой научной дисциплины проводятся исследования по функциональной геномике, сравнительной геномике, а также по генетическому разнообразию человека. Бурное развитие молекулярной биологии и генетики во второй половине XX века, появление технологий рекомбинантных ДНК дали в руки исследователей мощный инструмент для изучения молекулярных механизмов болезней, для разработки новых молекулярных методов диагностики, терапии и профилактики различных заболеваний. Итогом и продолжением развития этих исследований явился проект «Геном человека». Как следует из названия этого проекта его цель заключалась в секве-нировании всего человеческого генома. Расшифровка генома, состоящего из 3 х 109 п.н. и содержащего 20-28 тыс. генов, завершена в 2003 г., о чем было объявлено 17.04.2003 г. Международным консорциумом по секвенированию генома человека. Знание полной нуклеотидной последовательности генома человека позволит создавать более точные генетические карты и, кроме того, ускорит идентификацию генов, которые были локализованы путем анализа сцепления с конкретным маркером. К 2001 г. было идентифицировано 1,42 миллиона случаев полиморфизма по отдельным нуклеотидам (single nucleotide polymorphisms, SNPs). SNP-маркеры встречаются с частотой 1 на 500 оснований; опубликована их карта. При изучении генетической восприимчивости к заболеваниям наиболее перспективно использовать внутригенные SNP, число которых в настоящее время составляет 60 000. Важно, что маркеры встречаются именно в гаплотипах, различающихся между индивидами, и, возможно, разработка карт гаплотипов окажется более перспективным подходом к идентификации генов. Значительная вариабельность по разным видам ДН К-маркеров, отражающая степень изменчивости геномов, предоставляет большие возможности для изучения эволюционной истории разных видов организмов. Важнейший элемент геномных исследований — характеристика различных генов, составляющих эти геномы, изучение механизмов их регуляции, взаимодействия друг с другом и с факторами среды в норме и при патологии. Охарактеризовать таким образом как можно большее количество генов - основная задача функциональной геномики. Чтобы ответить на вопрос, как функционируют и как регулируются примерно 25 000 генов, составляющих геном человека, необходимы длительные мультидисциплинарные исследовавния. Как говорилось выше, анализ любого генома включает определение нуклеотидной последовательности, белковых продуктов генов, изучение взаимодействия разных генов и белков и механизма регуляции всей системы. После расшифровки генома усилия исследователей фокусируются на изучении белковых продуктов генов. Этим занимается протеомнка. Ее задача — определить все белки, синтезируемые в клетке, выяснить их строение, количество, локализацию, модификацию и механизмы взаимодействия. Еще одно важное направление функциональной геномики — траискриптомика — изучает координированную работу генов, образование первичных транскриптов, процессы сплайсинга и формирования зрелых мРНК. Благодаря технологии микрочипов удается одновременно анализировать картину транскрипции мРНК со ста тысяч генов. Исследование «транскриптома» этим методом позволяет установить различия между экспрессией генов в разных тканях, проанализировать характер экспрессии в разные периоды болезни, а также классифицировать белки - на секретируемые и связанные с мембранами (определяя положение их мРНК). В рамках еще одного направления функциональной геномики - ни гомики исследуют генетические механизмы и генетический контроль клеточной дифференцировки и гистогенеза, а также образования субклеточных структур. Технологии, позволяющие анализировать молекулярные механизмы путем сравнения генов или их продуктов в разных органах и тканях, а также геномов различных организмов, развиваются в рамках сравнительной геномики. Так, сравнения белковых последовательностей внутри и между видами организмов помогают получить информацию об их потенциальных функциях. Однако при неудаче простого сравнительного анализа, основанного на гомологии с другими белками и/или на их трехмерном строении, определяют разные компоненты белковых комплексов и/или клеточных структур перед тем, как их истинная функция станет очевидной. Изучение координации внутри клетки и организма действия пакетов генов путем сравнения геномов разных видов основано на том, что жизненно важные регуляторные функции сохранились у многих видов организмов на протяжении эволюции. Например, информация о регуляции клеточного цикла, необходимая для понимания процесса канцерогенеза у человека, была получена путем сравнения с аналогичными процессами у дрожжей. Избирательная инактивация у мышей позволила определить функции многих эффекторов иммунной системы и регуляторов ранних стадий кроветворения. Параллельно с программой «Геном человека» шла работа по секвенированию геномов организмов, имеющих значение для здоровья и жизнеобеспечения человека. Такая информация необходима, чтобы наиболее эффективно использовать знания, полученные при разработке проекта «Геном человека».

Структурная геномика

Структурная геномика — содержание и организация геномной информации. Имеет целью изучение генов с известной структурой для понимания их функции, а также определение пространственного строения максимального числа «ключевых» белковых молекул и его влияния на взаимодействия.

Функциональная геномика

Функциональная геномика — реализация информации, записанной в геноме, от гена — к признаку.

Сравнительная геномика

Сравнительная геномика (эволюционная) — сравнительные исследования содержания и организации геномов разных организмов.

Получение полных последовательностей геномов позволило пролить свет на степень различий между геномами разных живых организмов. Ниже в таблице представлены предварительные данные о сходстве геномов разных организмов с геномом человека. Сходство дано в процентах (отражает долю пар оснований, идентичных у двух сравниваемых видов)

Вид Сходство Примечания и источники

Человек 99,9 % Human Genome Project

100 % Однояйцевые близнецы

Шимпанзе 98,4 % Americans for Medical Progress; Jon Entine в San Francisco Examiner

98,7 % Richard Mural из Celera Genomics, цитируется в MSNBC

Бонобо, или карликовый шимпанзе То же, что и для шимпанзе.

Горилла 98,38 % Основано на изучении интергенной неповторяющейся ДНК (American Journal of Human Genetics, февраль 2001, 682, стр. 444—456)

Мышь 98 % Americans for Medical Progress

85 % при сравнении всех последовательностей, кодирующих белки, NHGRI

Собака 95 % Jon Entine в San Francisco Examiner

C. elegans 74 % Jon Entine в San Francisco Examiner

Банан 50 % Americans for Medical Progress

Нарцисс 35 % Steven Rose в The Guardian от 22 января 2004