Характеристика генетических свойств человека

Уровни организации наследственного материала

Ген (от греческого genos — род, происхождение) — это функционально неделимая единица наследственной информации. Согласно классическим представлениям ген — локус на хромосоме, мутации в котором реализуются на уровне фенотипа. В молекулярной биологии ген трактуется как ассоциированный с регуляторными последовательностями фрагмент ДНК, соответствующий определенной единице транскрипции, определяющий первичную структуру полипептида, молекулы рРНК (рибосомальной), тРНК (транспортной) или взаимодействующий с регуляторным белком.

В настоящее время в понятие «ген» включаются не только его транскрибируемая область, т. е. экзоны + интроны, но также фланкирующие последовательности — лидерная, предшествующая началу гена, и хвостовая, нетранслируемая область, расположенная на конце гена.

Гены человека редко представлены одной непрерывной последовательностью и в подавляющем большинстве имеют прерывистую структуру. Относительно короткие кодирующие участки — экзоны — чередуются с длинными участками интронами, которые транскрибируются и входят в состав первичного РНК-продукта, но затем при созревании (процессинге) первичного РНК-транскрипта вырезаются и не участвуют в трансляции. Процесс вырезания нитронов из первичных транскриптов получил название сплайсинга. Таким образом, в зрелой мРНК (матричной) интронные области отсутствуют, а экзоны составляют непрерывную кодирующую последовательность.

Понятие «локус» шире, чем понятие «ген». Локус состоит из нескольких обязательных фрагментов. Обширная регуляторная зона оказывает влияние на активность гена в той или иной ткани организма на определенной стадии его индивидуального развития. Далее непосредственно к координирующим элементам примыкает промотор — последовательность ДНК, ответственная за связывание РНК полимеразы, осуществляющей транскрипцию данного гена. Затем следуют кодирующие последовательности ДНК, несущие информацию о строении белка и входящие в состав соответствующих РНК, разделенные интронами, которые не кодируют структуру белка и не входят в состав зрелой молекулы РНК, хотя и транскрибируются. Как единица наследственности ген может мутировать, и быть обнаруженным по происходящему при этом изменению фенотипа. Однако ген не является единицей мутирования, как думали раньше, т.к. возможны отдельные мутирующие участки в сложном гене — сайты. Не является ген и единицей рекомбинации, поскольку возможны внутригенные рекомбинации. Таким образом, ген неделим — лишь в функциональном отношении.

Не все гены в организме человека представлены уникальными последовательностями. Многие гены человека повторены в геноме от нескольких единиц до нескольких сотен раз и образуют мультигенные семейства. Эти гены обычно сгруппированы в — кластеры в определенных районах одной либо нескольких хромосом.

Примерами мультигенных семейств могут служить гены рибосомальных, транспортных и ядерных РНК, гены А- и В-глобинов, миоглобина, актина, интерферона и др.

НLA-комплекс мультигенов, контролирующий главные антигены гистосовместимости, занимающий большой район на коротком плече хромосомы 6 и состоящий из серии тесносцепленных генов, ответственных за синтез клеточных поверхностных антигенов, молекул иммунного ответа и некоторых компонентов комплемента, относится к супергенным семействам. Для некоторых моногенных заболеваний идентифицированы мутантные аллели, сходные с мутациями в соответствующих псевдогенах, уникальных последовательностях, очень сходных по своей структуре с определенными нормальными генами, но в силу присутствия в кодирующих последовательностях целого ряда мутаций неспособных транскрибироваться или правильно транслироваться с разнообразием структурно и функционально активного продукта.

В геноме человека присутствуют также нуклеотидные последовательности, гомологичные геномам некоторых вирусов. Вначале эти последовательности были идентифицированы в геноме вирусов, индуцирующих развитие опухолей у животных и человека, и получили название онкогенов. Позднее гомологичные последовательности, обнаруженные в геноме человека, были названы протоонкогенами. Белковые продукты протоонкогенов, по-видимому, играют важную роль в нормальной пролиферации клеток, особенно на ранних стадиях эмбрионального развития. При возникновении специфических мутаций в протоонкогенах, а также при нарушениях регуляции их работы они начинают вести себя как онкогены, стимулируя неконтролируемое размножение определенных клеточных клонов, что приводит к образованию опухолей.

Геном образован не только ядерными, но и цитоплазматическими генами. Геном митохондрий представляет собой кольцевую двух цепочечную молекулу ДНК, которая включает, например, гены рРНК и тРНК, в ней почти нет интронов.

В зависимости от выполняемых функций гены подразделяют на гены «домашнего хозяйства», координирующие жизненно важные функции в клетках всех типов, структурные гены, регуляторные гены и пунктуационные гены.

В отличие от генотипа, характеризующегося диплоидным набором хромосом, понятие генома включает сумму нуклеотидных последовательностей в гаплоидном наборе хромосом.

Геномом называют всю совокупность наследственного материала, заключенного в гаплоидном наборе хромосом клеток данного организма. При половом размножении в процессе оплодотворения объединяются геномы двух родительских половых клеток, образуя генотип нового организма. Все соматические клетки такого организма обладают двойным набором генов, полученных от обоих родителей.

Таким образом, генотип — это генетическая конституция организма, представляющая собой совокупность всех наследственных задатков его клеток, заключенных в хромосомном наборе — кариотипе. Хромосомный набор человека состоит из 23 пар хромосом.

Кариотип различается у представителей разных полов по одной паре хромосом — гетерохромосомы или половые хромосомы. Различия касаются строения половых хромосом, обозначаемых различными буквами — Х и У; возможны комбинации ХХ или ХУ. Благодаря половому размножению гены, представленные в геноме уникальными нуклеотидными последовательностями, в генотипе присутствуют в двойной дозе. Исключение составляют гены, расположенные в половых хромосомах, в виду того, что морфология этих хромосом различна и одна из них {Х) крупнее, многие гены имеются лишь в одной гетерохромосоме и отсутствуют или неактивны в другой, Таким образом, геноmunы индивидов и их клеток — сбалансuрованные по дозам генов системы. Нарушение дозовой сбалансированности генотипа сопровождается различными отклонениями в развитии.

Поскольку взаимодействующие при оплодотворении гаметы часто несут в своих геномах разные аллели одного и того же гена, генотип нового организма является гетерозиготным по многим локусам, то есть его аллельные гены представлены разными аллелями. Некоторые гены имеют две или более альтернативные формы, которые называются аллелями. Если в идентичных локусах гомологических хромосом содержатся одинаковые алели, то организм является гомозиготным по данному локусу; если аллели различаются, то организм гетерозиготен по этому локусу и развитие данного признака будет зависеть от взаимодействия аллельных генов.