Облик человека, некоторые привычки и, даже, заболевания передаются по наследству. Вся эта информация о живом существе закодирована в генах. Рассказываем, как выглядят, работают и по каким принципам изменяются гены.
Читайте «Хайтек» в
Геном человека
Это совокупность наследственного материала, заключенного в клетке человека. Человеческий геном состоит из 23 пар хромосом, находящихся в ядре, а также митохондриальной ДНК. 22 аутосомы, 2 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, но которая, как оказалось, играет важную роль в регуляции активности генов.
Сколько хромосом у человека?
Особенности гена человека
В геноме присутствует 23 пары хромосом: 22 пары аутосомных хромосом, а также пара половых хромосом X и Y. У человека мужской пол является гетерогаметным и определяется наличием Y-хромосомы. Нормальные диплоидные соматические клетки имеют 46 хромосом.
Предварительные оценки предполагали наличие в геноме человека более 100 тыс. генов. По результатам проекта «Геном человека» количество генов, а точнее, открытых рамок считывания, составило около 28 тыс. генов. В связи с усовершенствованием методов поиска (предсказания) генов предполагается дальнейшее уменьшение их числа.
Число генов у человека лишь ненамного больше, чем у более простых организмов, например, круглого червя Caenorhabditis elegans или мухи Drosophila melanogaster. Так происходит из-за того, что в человеческом геноме широко представлен альтернативный сплайсинг. Он позволяет получить несколько различных белковых цепочек с одного гена.
В результате человеческий протеом оказывается значительно больше протеома рассмотренных организмов. Большинство человеческих генов имеют множественные экзоны, и интроны часто оказываются значительно более длинными, чем граничные экзоны в гене.
В человеческом геноме найдено множество различных последовательностей, отвечающих за регуляцию генов. Под регуляцией понимается контроль экспрессии гена (процесс построения матричной РНК по участку молекулы ДНК).
Обычно это короткие последовательности, находящиеся либо рядом с геном, либо внутри гена. Иногда они находятся на значительном расстоянии от гена (энхансеры). Систематизация этих последовательностей, понимание механизмов работы, а также вопросы взаимной регуляции группы генов группой соответствующих ферментов на текущий момент находятся только на начальной стадии изучения.
Гены, ДНК и хромосомы
Взаимная регуляция групп генов описывается с помощью сетей регуляции генов. Изучение этих вопросов находится на стыке нескольких дисциплин: прикладной математики, высокопроизводительных вычислений и молекулярной биологии. Знания появляются из сравнений геномов различных организмов и благодаря достижениям в области организации искусственной транскрипции гена в лабораторных условиях.
Идентификация регуляторных последовательностей в человеческом геноме частично была произведена на основе эволюционной консервативности (свойства сохранения важных фрагментов хромосомной последовательности, которые отвечают примерно одной и той же функции).
Согласно данным молекулярных часов, эволюционные линии человека и мыши разделились около 100 млн лет назад. Для двух геномов компьютерными методами были выявлены консервативные последовательности (последовательности, идентичные или очень слабо отличающиеся в сравниваемых геномах) в некодирующей части, и оказалось, что они активно участвуют в механизмах регуляции генов у обоих организмов.
Другой подход получения регуляторных последовательностей основан на сравнении генов человека и рыбы фугу. Последовательности генов и регуляторные последовательности у человека и рыбы фугу существенно схожи, однако геном рыбы фугу содержит в 8 раз меньший объем «мусорной ДНК». Такая «компактность» рыбьего генома позволяет значительно легче искать регуляторные последовательности для генов.
Кодирующие белок последовательности (множество последовательностей составляющих экзоны) составляют менее чем 1,5% генома. Не учитывая известные регуляторные последовательности, в человеческом геноме содержится масса объектов, которые выглядят как нечто важное, но функция которых, если она вообще существует, пока не выяснена.
Эти объекты занимают до 97% всего объема человеческого генома. К таким объектам относятся:
Около 1% в геноме человека занимают встроенные гены ретровирусов (эндогенные ретровирусы). Эти гены обычно не приносят пользы хозяину, но существуют и исключения. Так, около 43 млн лет назад в геном предков обезьян и человека попали ретровирусные гены, служившие для построения оболочки вируса. У человека и обезьян эти гены участвуют в работе плаценты.
Большинство ретровирусов встроились в геном предков человека свыше 25 млн лет назад. Среди более молодых человеческих эндогенных ретровирусов полезных на настоящий момент не обнаружено.
Расшифровка генома неандертальца
Геном неандертальца по размеру близок к геному современного человека. Предварительные результаты показывают, что ДНК современного человека и неандертальца идентичны приблизительно на 99,5%.
Исследователи извлекли ископаемую ДНК неандертальца из кости бедра скелета 38000-летней давности из пещеры Виндия в Хорватии, а также из других костей, найденных в Испании, России и Германии. Используя последовательности митохондриальной ДНК шимпанзе и человека в качестве опорных точек, ученые рассчитали: дата расхождения между мтДНК человека и неандертальца составляет 660 000 ± 140 000 лет.
В геномах последних европейских неандертальцев из пещер Виндия, Мезмайская (Mezmaiskaya 2), Гойе и Ле-Котте, живших около 45–39 тыс. лет назад уже после прибытия сапиенсов в Европу, не найдено примеси генов кроманьонцев.
Сравнение геномов поздних неандертальцев с геномом более древнего неандертальца с Кавказа (Mezmaiskaya 1) показало, что концу истории неандертальцев, вероятно, произошел оборот неандертальского населения либо на Кавказе, либо по всей Европе.
Основная часть потока неандертальских генов в ранних Homo sapiens происходила из одной или нескольких исходных популяций неандертальцев, которые разошлись с последними неандертальцами не менее 90 тыс. лет назад, но после того, как они откололись от ранее секвенированного неандертальца из Сибири (Altai Neandertal) примерно 150 тыс. лет назад.
Чьи гены мы унаследовали?
Люди современного типа скрещивались с денисовскими людьми дважды, выяснили американские генетики, которые проанализировали ДНК 5639 жителей Евразии и Океании.
Как говорится в статье, опубликованной в журнале Cell, ученые обнаружили, что предки жителей современных Китая и Японии скрещивались с денисовцами из двух популяций — алтайской и неизвестной второй.
Неандертальцев и денисовцев считают отдельными видами (по другой версии — подвидами) древних людей. Неандертальцы жили в Европе и Центральной Азии и вымерли около 30 тыс. лет назад, оставив многочисленные останки и артефакты.
О денисовцах известно гораздо меньше. От них практически не осталось следов (до сих пор обнаружены только три коренных зуба и фаланга пальца), которые найдены в одном месте — Денисовой пещере на Алтае. Собственно, новый вид людей обнаружили генетики, отсеквенировав ДНК из фаланги пальца и обнаружив в митохондриальном и в ядерном геноме существенные отличия от геномов людей современного типа и неандертальцев.
Геном неандертальцев и современных людей отличается на 0,16%. С одной стороны, отличия невелики. С другой, можно увидеть, какие гены имеются у современных людей, но отсутствуют и у шимпанзе, и у неандертальцев.
Это гипотетические элементы, которые не унаследованы от общего предка и появились только после расхождения ветвей современного человека и неандертальца. Таких сугубо современных элементов — нуклеотидных замен в генах — нашлось 78. Некоторые из этих нуклеотидных замен могут быть нейтральными (они могли закрепиться в результате обычных демографических процессов, бутылочных горлышек и т. д.), другие же могут иметь и адаптивное значение.
Так вот, нашлось 5 таких генов, которые несли по несколько указанных нуклеотидных замен. Эти гены и, соответственно, эти мутации, очевидно, адаптивны для современных людей, иначе бы эволюция не обратила бы на них столь пристального внимания. Это гены, связанные с функциями кожи, мыслительной деятельностью, энергетическим обменом.
Как генофонд повлиял на человеческую популяцию?
В 2010 ядерный геном неандертальца был впервые полностью изучен. Генетический след этого вида пересчитывается очень часто. Популяционные генетики из Вашингтонского университета Бенджамин Вернот и Джошуа Эки занялись исследованием, и новый подход позволил авторам «вытащить» все последовательности неандертальской ДНК, спрятанные в современных геномах.
Они пришли к выводу, что в генофонде современных европейских и азиатских популяций суммарно циркулирует около 20% неандертальского генома. Неандертальские последовательности в геноме современных людей довольно короткие — это объясняется тем, что со времени гибридизации с неандертальцами прошло достаточно много времени, и длинные последовательности оказались разбиты рекомбинациями (обмен участками между разными хромосомами).
26% всех кодирующих белков имеют в своем составе и неандертальские аллели.
Также оказались полезны гены в кератиноцитах (клетках кожи): они нужны для улучшенной пигментации или приспособления. А участок на седьмой хромосоме, содержащий ген, помог развить человеческую речь.
Последние научные достижения
- Воссоздан самый древний геном европейца
Ученые из генетической лаборатории Института истории человечества Макса Планка в Германии реконструировали древнейший геном европейца.
Для исследования был взят материал черепа возрастом около 45 тыс. лет, найденного в местечке Златы Кун в Чехии. Он принадлежал женщине.
Оказалось, что геном из Златы Кун содержит примерно такое же количество неандертальской ДНК, что и у других современных людей, около 2-3%, но сами сегменты неандертальских генов в нем намного длиннее, чем у всех.
По данным авторов работы, ДНК этой женщины не встречается у людей, живших позже на территории Европы или Азии. Это позволяет предположить, что современные люди встречались в Юго-Восточной Европе уже 47–43 тыс. лет назад.
Группа ученых из России изучила роль двухцепочечных фрагментов созревающей РНК и показала, что взаимодействие между ее удаленными частями может регулировать экспрессию генов.
У РНК есть две структуры — первичная и вторичная. Под первичной структурой нуклеиновых кислот понимают порядок, последовательность расположения мононуклеотидов в полинуклеотидной цепи РНК. Такая цепь стабилизируется 3′,5′-фосфодиэфирными связями. В свою очередь, вторичная структура — конформационное расположение главной цепи макромолекулы (например, полипептидная цепь белка или цепи нуклеиновых кислот), независимо от конформации боковых цепей или отношения к другим сегментам.
В описании вторичной структуры важным является определение водородных связей, которые стабилизируют отдельные фрагменты макромолекул.
Благодаря новой работе выяснилось, что вторичная структура играет важную роль в созревании молекул РНК, несущих информацию, и особенно в сплайсинге. Это процесс, в котором некодирующие области вырезаются, а кодирующие — сшиваются вместе (как в процессе созревания молекул РНК). Ученые показали, что вторичные структуры РНК могут регулировать сплайсинг и, таким образом, вносить большой вклад в регуляцию генов, чем считалось ранее.
Самым большим прорывом десятилетия стала система CRISPR/Cas9, за которую ее создательницы, Дженнифер Дудна и Эммануэль Шарпантье, в 2020 году получили Нобелевскую премию по химии.
CRISPR/Cas9 — это метод редактирования генома высокой точности, позволяющий изменять гены живых микроорганизмов, в том числе и человека. И с его помощью есть шансы создать методики борьбы с ВИЧ и другими заболеваниями, которые сегодня звучат как приговор.
В 2018 году на свет появились генно-модифицированные дети — девочки Лулу и Нана. Зигота была получена при помощи ЭКО (экстракорпорального оплодотворения), генетически изменена посредством CRISPR/Cas9 и имплантирована в матку женщины, которая и родила девочек.
Читать далее
Источник: hightech.fm
Хромосомные болезни: теория и практика
Вся генетическая информация, которая передается из поколения в поколения, закодирована в специальной молекуле — дезоксирибонуклеиновой кислоте, более известной в сокращении как ДНК. В комплекте с белками ДНК формирует хромосомы. Различные аномалии, которые их затрагивают, приводят к так называемым хромосомным болезням.
MedAboutMe разбирался, что это за болезни и откуда берутся хромосомные аномалии.
Иммунодиетология — не для всех, а только для вас
Индивидуальная диета по анализу крови на антитела: объясняем, как работает иммунодиетология
ДНК ядерная и митохондриальная
В молекуле ДНК располагаются все гены, в которых запрограммирована информация о структуре белков и других молекул, из которых состоит организм человека и всех живых существ. Всего генов насчитывается около 30 тысяч.
Молекула ДНК состоит из двух цепей, которые скручены в спираль. Молекулы ДНК уложены очень компактно в ядре клеток. Вместе с белками они образуют специфические образования — хромосомы. В прямом переводе этот термин означает «окрашенное тело», поскольку они хорошо окрашиваются специальными красителями.
Открытие хромосом, как неких образований в ядре клетки, согласно истории биологии, может принадлежать нескольким ученым второй половины девятнадцатого века. Только в начале двадцатого века было высказано предположение об их участии в наследовании информации (Т. Морган и соавт.).
Помимо ядерной ДНК существует митохондриальная ДНК, которая находится в специальных образования клетки — митохондриях, расположенных в цитоплазме клеток. Открытие этой формы ДНК состоялось в 1963 году. Митохондриальная ДНК существенно меньше по размерам ядерной, но, так же как и ядерная ДНК, несет на себе важную генетическую информацию, а ее нарушение приводит к развитию так называемых митохондриальных болезней. В отличие от ядерной ДНК, в которой располагаются тысячи генов, в митохондриальной ДНК сосредоточено несколько десятков генов, но все они кодируют крайне важные белки/ферменты для человека.
Тело человека и хромосомы
Все ядерные хромосомы в клетках человека, кроме половых клеток, представлены парами. Таких пар 23, то есть всего в ядре клеток содержится 46 хромосом (диплоидный набор), в том числе 22 пары аутосом (не половые хромосомы) и одна пара половых (ХХ или ХY). Хромосомы в каждой из 22 пар сходны по строению и по размерам.
В половых клетках, представленных яйцеклеткой и сперматозоидом, содержится по 23 хромосомы (гаплоидный набор), одна из них — Х, а другая — Y хромосома, достающаяся от отца, будет определять пол человека. Поскольку женские половые клетки содержат набор из 22 хромосом и одной X половой, в сперматозоидах возможно два варианта — сперматозоид содержит 22 хромосомы плюс Х- или 22 плюс Y-половая хромосома.
После соединения яйцеклетки и сперматозоида образующийся набор ХХ будет определять развитие по женскому типу, а набор ХY — по мужскому. В целом, можно сказать, что каждый человек имеет два варианта одного и того же гена, хранящегося в хромосомах — один вариант от матери, другой от отца, при этом пол определяется отцом.
Гены и число хромосом
Число хромосом сильно варьирует в зависимости от вида животных и растений. Таким образом, количество хромосом является признаком, характеризующим различные виды животного мира. Например, число хромосом у лошади равно 64, у гориллы — 48, у собак — 78, у рака — 200, у кошки — 38, у свиньи — тоже 38, у лягушки — 26, у картофеля — 48, у кукурузы — 20, а у некоторых видов муравьев — всего 2 хромосомы, геном холерного вибриона также представлен 2 хромосомами.
Однако число хромосом и количество генов находится не всегда в пропорциональной зависимости. Например, число хромосом у обычной домовой мыши 40, а у человека — 46, при этом число генов приблизительно совпадает. Число хромосом лошади превышает число хромосом человека, однако у лошадей пока идентифицировано около 20 тысяч генов.
Многие из генов животных имеют сходное строение с генами человека. Гомология (схожесть) некоторых геномов животных с геномом человека достигает более 90%. Схожесть генома у людей достигает 99,9% и лишь 0,01% генома формирует все многообразие среди людей. Понимание путей эволюции в формировании геномов человека и животных крайне важно для выявления мутаций, которые являются специфичными для человека. Эти знания необходимы для лечения болезней с применением методов генной инженерии в будущем.
Кариотип и кариотипирование
Выше было сказано, что ядерный геном человека в норме величина постоянная. Он состоит из 46 хромосом, которые формируют 23 пары. 22 пары хромосом представляют собой аутосомы (парные хромосомы в клетках кроме половых), тогда как 23-я пара представляет собой половые хромосомы — XX у женщин и XY у мужчин.
Для обозначения совокупности набора хромосом было введено понятие «кариотип». Впервые это термин был введен уже в 1922 российским ученым Л.Н. Делоне при изучении набора хромосом у различных представителей растительного мира.
Набор хромосом человека, состоящий их 46 хромосом в норме, называют кариотипом. Помимо количества, главными признаками, формирующими кариотип, являются также размеры, строение и форма хромосом. Метод, позволяющий проводить оценку кариотипа, называется кариотипированием. Данный метод относится к цитогенетическим методам исследования генома и широко используется в диагностике хромосомных аномалий.
Поскольку в течение клеточного цикла вид хромосом в ядре подвержен значительным изменениям, то принято проводить изучение кариотипа в определенной стадии деления клетки, которая называется «метафаза митоза». Для повышения точности определения применяются специфические методы окрашивания хромосом с применением красителей, что значительно повышает чувствительность метода.
При обследовании женщин нормальный кариотип записывают как 46, XX и 46, XY для мужчины.
Хромосомные болезни
Изменение кариотипа человека и животных может происходить на различных этапах развития. Если изменение числа хромосом происходит на стадии, когда образуются родительские половые клетки (гаметы), то и все клетки будущего эмбриона будут иметь измененный кариотип.
В зависимости от тех или иных изменений количества и структуры хромосом возникают хромосомные болезни. Всего зарегистрировано около 700 заболеваний, связанных с хромосомными перестройками.
Например, увеличение 21-й пары хромосом на одну добавочную хромосому (трисомия по 21-й хромосоме) приводит к возникновению синдрома Дауна. Лишняя X-хромосома в паре половых хромосом XY у мужчин образует изменение кариотипа на формулу 47, XXY (вместо 46, XY). Такой кариотип приводит к возникновению синдрома Клайнфельтера. Одним из основных признаков такой патологии является нарушение половых желез.
Понятие мозаицизма (мозаичный кариотип) появилось, когда было обнаружено, что при дроблении зародышевых клеток в самом начале формирования эмбриона появляются клетки с различными кариотипами, т.е. один организм может содержать одновременно клоны клеток как с нормальным набор хромосом, так и с аномальным. Иными словами, организм состоит из клеток с различным генетическим материалом. Примерами такого развития могут быть синдромы Дауна, Клайнфельтера, Шерешевского-Тернера. При мозаицизме клиническая выраженность симптомов чаще имеет стертые формы, поскольку часть клеток все же имеет нормальный кариотип.
Причины хромосомных аномалий и их диагностика
Ранее мы говорили, что причиной хромосомных аномалий могут быть ионизирующая радиация, влияние различных химических агентов, включая лекарства, экстремальная температура. Во многих случаях выявить точную причину изменений не представляется возможным. Многолетними наблюдениями доказано, что частота хромосомных аномалий резко увеличивается с возрастом матери.
Кариотипирование обычно проводят в пренатальный период (в период беременности до родов). Кариотипирование проводят как инвазивным способом, так и неинвазивным.
- Инвазивный способ заключается в заборе клеток для исследования из матки женщины (плацента, хорион), крови из пуповины плода или околоплодных вод (амниоцентез) под контролем ультразвука. Отбираются клетки плода и в них проводят исследование хромосом. Следует учитывать, что такой способ забора материала может закончиться выкидышем (около 1% в первом триместре).
- Неинвазивный метод заключается в выделении генетического материала плода из крови матери. Этот метод не опасен для ребёнка и плода, однако менее чувствителен по сравнению с инвазивным методом. Показанием для неивазивного способа забора материала могут быть возраст матери (старше 35 лет), наличие хромосомных аномалий у предыдущих детей.
В настоящее время наиболее точным методом диагностики ряда хромосомных аномалий является метод количественной флуоресцентной полимеразной цепной реакции.
При выявлении патологии решается вопрос о продолжении или прерывании беременности. Метод кариотипирования применяется для обследования детей при наличии пороков развития, а также супругов, у которых происходило рождение мертворожденных детей, и при планировании ЭКО.
Читайте далее
Удалить нельзя сохранить: выбор для желчного пузыря
Методы лечения холелитиаза: выбор методов лечения желчнокаменной болезни в России и зарубежных странах.
Источник: medaboutme.ru
Сколько хромосом у человека
—> +7 926 604 54 63 address
В результате мутаций кариотип может меняться. Нарушается структура хромосом, может увеличиваться или уменьшаться, даже удваиваться их количество. С хромосомными аномалиями связан ряд (более 700) наследственных болезней. Самая известная — синдром Дауна, который обычно развивается, когда у человека три 21-х хромосомы вместо двух. В итоге в кариотипе получается 47 хромосом вместо 46.
Изредка бывает, что изменение кариотипа внешне никак не проявляется, и человек живёт и ничего не подозревает, пока не пытается завести детей. Совсем редко может случиться, что и на репродуктивной функции хромосомная аномалия заметно не отразилась. Описаны случаи, когда в некоторых семьях хромосомная мутация передавалась из поколения в поколение.
В связи с этим можно вспомнить ещё один распространённый вопрос: если у шимпанзе 48 хромосом, а у человека 46, как же у нас мог быть общий предок? По-видимому, когда-то наши пращуры, как и современные человекообразные, обладали кариотипом с 48-ю хромосомами, но в какой-то момент у кого-то из предков в результате мутации две хромосомы слились в одну. Эта гипотеза нашла ряд подтверждений, когда генетики стали сравнивать кариотип человека и наших ближайших родственников — человекообразных обезьян. Подробно о слиянии хромосом у предков человека рассказывается в статье «История одной мутации»…
Источник: 22century.ru
>»>