Экспрессия генов: краткое изложение и наглядные сравнения
Экспрессия гена - перенос генетической информации от ДНК через РНК к полипептидам и белкам.
Гены , представляющие собой линейные полимеры ДНК, соединены в длинные цепи, которые вместе с белками хроматина образуют хромосомы . В норме все ядерные клетки человека, кроме сперматозоидов и яйцеклеток , содержат 46 хромосом, составляющих 23 пары. В каждой паре одна из хромосом унаследована от одного родителя, а другая - от второго. В большинстве генов человека кодирующая последовательность разделена на сегменты ( экзоны ), между которыми находятся некодирующие последовательности ( интроны ). Некоторые приблизительные данные о размере и организации генома человека, то есть всей ДНК гаплоидного набора хромосом, представлены на рис. 65.1 .
Геном человека состоит из 3 млрд пар нуклеотидов и содержит 50000-100000 генов. Длину участков ДНК обычно выражают в тысячах (или миллионах) нуклеотидов, а также в морганидах . Последний способ основан на анализе сцепления генов: при расстоянии между генами в одну сантиморганиду (0,01 морганиды) вероятность кроссинговера между ними в мейозе равна 1%. В среднем одной сантиморганиде соответствует 1 млн нуклеотидов - то есть геном человека имеет размер приблизительно 3000 сантиморганид. Таким образом, на 1 хромосому приходится в среднем 2000-5000 генов, или 130 млн пар нуклеотидов, или 130 сантиморганид.
Если при дифференциальном окрашивании хромосом на них различимы 800 полос, то каждая полоса в среднем должна содержать 3-5 млн пар нуклеотидов, или 60-120 генов.
Однако такой расчет основан на чрезмерных упрощениях. Оценки общего числа генов весьма приблизительны; хотя в среднем одной сантиморганиде соответствует примерно 1 млн нуклеотидов, это соотношение нарушается для более коротких последовательностей, и, кроме того, оно зависит от пола.
Гены имеют разную длину. Например, длина гена глобина - 1500 нуклеотидов, а гена дистрофина , мутация которого вызывает миопатию Дюшенна , - 2 млн нуклеотидов. Регуляторные цис-элементы (расположенные на одной цепи ДНК с регулируемым геном) иногда удалены от кодирующей области гена на большое расстояние, например цис-элементы гена бета-цепей глобина находятся на расстоянии 50000 нуклеотидов в 5'- направлении и 30000 нуклеотидов в 3'-направлении. Такая организация затрудняет определение границ между генами.
Геном человека содержит и много высокоповторяющихся последовательностей , функция которых пока не известна.
Если напечатать одну копию одной цепи гаплоидного генома человека, то текст будет в 170 раз больше книги, состоящей из 35000 страниц. Развивая это сравнение, геном можно представить в виде 23 отдельных томов разного объема, каждый из которых эквивалентен одной хромосоме.
Каждый человек наследует один набор из 23 томов от отца и один - от матери. Мутация, вызывающая серповидноклеточную анемию , эквивалентна изменению одной буквы на одной странице одного тома в каждом из наборов, а делеция кластера генов альфа-цепей глобина при альфа-талассемии сравнима с потерей одной или двух страниц текста в каждом наборе. Этот текст переписывали снова и снова на протяжении тысяч поколений, привнося множество ошибок или изменений ( мутаций ), которые наследовало потомство.
Кроссинговер и сцепление генов можно представить как обмен части тома одного набора на часть соответствующего тома другого набора (1-6 частей на том), так что следующее поколение получает уникальный 23-томный текст, содержащий части обоих исходных наборов.
Сочетание уникальных геномов (наборов), полученных от каждого из родителей, создает генотип , лежащий в основе нашей генетической индивидуальности.
