§62. Геном человека

Определения и обозначения

Геном человека — полный набор наследственной информации, записанной в ДНК ядерных хромосом и митохондрий. Его обычно описывают по гаплоидному набору, то есть по одной копии каждой хромосомы. Такой способ удобен: парные хромосомы соматической клетки несут во многом сходные гены, поэтому для описания общей последовательности не нужно повторять каждую пару.

Гаплоидный набор генома — один набор хромосом человека: 22 аутосомы и одна половая хромосома. Половая хромосома бывает X или Y; яйцеклетка несёт X, а сперматозоид — X или Y. Это понятие помогает отличать набор половых клеток от обычного набора соматической клетки, в которой обычно 46 хромосом.

Секвенирование — определение последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК. Нуклеотиды — звенья ДНК, обозначаемые буквами A, T, G и C. Зная их порядок, исследователи могут сравнивать участки генома и искать различия, но для определения функции участка нужны дополнительные исследования.

Геномный проект человека — международная научная программа по определению и анализу последовательности ДНК человека. Она объединила работу исследователей, которые создавали методы чтения и сопоставления больших объёмов ДНК. Проект дал основу для дальнейшего поиска генов, изучения наследственных вариантов и исследования связи генома с признаками и заболеваниями.

Как это устроено

Основная часть наследственной информации находится в ядре и распределена по хромосомам. Кроме неё, ДНК есть в митохондриях — структурах клетки, участвующих в получении энергии. Эти две части различаются, потому что ядерный геном организован в хромосомы и сочетает наследственный материал обоих родителей, а митохондриальный геном компактнее и обычно передаётся от матери. Поэтому, чтобы учесть всю наследственную информацию, исследуют и ядерную, и митохондриальную ДНК.

Для чтения генома сначала получают клетки или образец ткани, выделяют из них ДНК и подготавливают её к анализу. Длинные молекулы разбивают на фрагменты, а приборы определяют последовательность нуклеотидов в каждом фрагменте. Затем компьютер сопоставляет перекрывающиеся участки и собирает их в более длинные последовательности, используя также подходящую последовательность-ориентир. Сборка нужна потому, что прочитать весь геном одной непрерывной молекулой технически сложно.

Геном нельзя свести к списку генов, кодирующих белки: такие участки составляют лишь часть ДНК. Некодирующие последовательности могут участвовать в управлении тем, когда, где и насколько активно работает ген. Другие участки помогают поддерживать структуру хромосом или пока не имеют достаточно ясно установленной функции. Поэтому полный анализ генома важен: исключение некодирующей ДНК оставило бы без внимания возможные регуляторные элементы и другие значимые последовательности.

Геномный проект человека позволил получить систематическое описание последовательности ДНК и создать основу для поиска генов. Когда известен порядок нуклеотидов, исследователи могут сопоставлять участки с известными генами и выявлять варианты последовательностей. Сравнение геномов разных людей помогает отличить общие участки от изменяющихся и изучать, какие различия связаны с признаками. При этом обнаружение последовательности само по себе ещё не доказывает, какую именно функцию выполняет участок.

Люди имеют сходный набор генов и общую организацию генома, поскольку относятся к одному виду и унаследовали многие последовательности от общих предков. Но копии ДНК не абсолютно одинаковы: в отдельных местах могут различаться один или несколько нуклеотидов, а иногда — более протяжённые участки. Такие наследуемые варианты вносят вклад в индивидуальные особенности и генетическое разнообразие. Проявление признака часто зависит не только от последовательности ДНК, но и от взаимодействия генов между собой и влияния среды.

Части генома человека

Сопоставляйте расположение и организацию: это помогает не смешивать хромосомы ядра с отдельной митохондриальной ДНК. Столбец о наследовании показывает, откуда обычно поступает соответствующий материал. Для подсчёта хромосом используйте данные о гаплоидном или диплоидном наборе, а не складывайте их без уточнения.

Разбор задач

Задача 1. Сколько хромосом входит в гаплоидный набор человека и какие это хромосомы? Нужно не спутать его с диплоидным набором соматической клетки, где хромосомы представлены парами. Рассуждаем, начиная с определения гаплоидного набора.

1. Гаплоидный набор содержит по одной хромосоме каждого типа, а не пары.
2. В него входят 22 аутосомы и одна половая хромосома.
3. Складываем: 22 + 1 = 23; половая хромосома — X или Y.

Ответ: 23 хромосомы: 22 аутосомы и одна половая хромосома. В соматической клетке обычно 46 хромосом, поскольку там два набора. Это различие и объясняет, почему нельзя отвечать числом 46, если спрашивают именно о гаплоидном наборе.

Задача 2. В клетке обнаружены ДНК ядра и митохондрий. Объясните, почему для описания генома человека нужно учитывать обе. Вопрос не о том, где находится большая часть ДНК, а о том, какая наследственная информация составляет геном. Поэтому проверяем, присутствует ли ДНК за пределами ядра и обладает ли она наследственным значением.

1. Геном определяют как полный набор наследственной информации, а не только ДНК хромосом ядра.
2. В ядре находится ядерная ДНК, организованная в хромосомы.
3. В митохондриях есть собственная ДНК, поэтому её последовательность тоже относится к наследственной информации клетки.

Ответ: учитывать нужно обе части — ядерную и митохондриальную ДНК. Если описывать только ядро, часть наследственной информации останется за рамками анализа. Особенности организации и передачи митохондриальной ДНК при этом рассматривают отдельно от ядерных хромосом.

Задача 3. При сравнении двух последовательностей ДНК найдено несколько различий. Можно ли на этом основании заключить, что у людей разные виды генома? Чтобы ответить, нужно отделить общую организацию генома от точного совпадения каждой буквы ДНК. Наличие различий ещё не означает, что сравниваемые последовательности принадлежат разным видам.

1. Сначала учитываем, что у людей сходны набор генов и общая организация генома.
2. Затем определяем, что найденные различия — варианты последовательности, а не доказательство разного плана строения генома.
3. Учитываем, что такие варианты могут наследоваться и вносить вклад в индивидуальные особенности.

Ответ: нет, несколько различий не доказывают, что у людей разные виды генома. Они показывают, что последовательности ДНК не полностью идентичны. Общая организация генома остаётся сходной, а отдельные наследуемые варианты создают часть генетического разнообразия людей.

Типичные ошибки

Ошибка: считать геномом только набор генов. Так думают, потому что гены часто обсуждают как участки, связанные с признаками, но в геном входят также некодирующие последовательности. Некоторые из них участвуют в регуляции работы генов, поэтому их исключение делает описание неполным. Проверь себя: в определении генома должны присутствовать не только кодирующие участки.

Ошибка: путать гаплоидный геном с полным набором хромосом соматической клетки. Причина — оба понятия относятся к хромосомам одного организма, хотя в первом случае учитывается один набор, а во втором обычно два. Проверь вопрос: если речь о гаплоидном наборе, ответ для человека — 23, а не 46. Число 46 относится к обычному диплоидному набору соматической клетки.

Ошибка: полагать, что последовательности ДНК всех людей полностью одинаковы. Сходная организация генома не означает полного совпадения каждого нуклеотида, а различия могут быть наследуемыми вариантами. Их часто упускают, когда сравнивают только общие признаки людей. Проверь себя: разделяй общий план генома и конкретные варианты последовательности у отдельных людей.

Ошибка: смешивать секвенирование с определением функции гена. Секвенирование показывает порядок нуклеотидов, но из одной последовательности нельзя автоматически узнать, как работает участок. Функции исследуют дополнительными методами, например проверяют активность генов и последствия изменений. Проверь формулировку результата: если определён только порядок нуклеотидов, речь идёт о секвенировании, а не о полном объяснении функции.

Связь с другими темами

Чтобы разобраться в теме, нужно знать строение ДНК, а также понятия «ген» и «хромосома». Понимание гаплоидного и диплоидного наборов помогает правильно считать хромосомы, а знания о наследовании признаков — объяснять передачу вариантов ДНК от родителей потомству. Далее эти представления пригодятся при изучении мутаций, наследственных заболеваний и генетического разнообразия. Анализ последовательностей генома используют в генетических исследованиях и медицине, в том числе при разработке методов молекулярной диагностики.

Что запомнить

• Геном человека включает ядерную и митохондриальную ДНК.
• Гаплоидный ядерный набор человека содержит 23 хромосомы: 22 аутосомы и одну половую.
• В геноме есть кодирующие и некодирующие последовательности.
• Секвенирование устанавливает порядок нуклеотидов в ДНК.
• У людей сходная организация генома, но последовательности ДНК не полностью идентичны.
• Геномный проект человека дал основу для систематического изучения последовательности ДНК.