Изучение геномов организмов

Последовательность расположения нуклеотидов в клонированном фрагменте ДНК изучают с помощью особой технологии секвенирования, суть которой состоит в одновременном разрезании специфическими агентами четырех образцов одной и той же ДНК по каждому из четырех оснований (А, Т, Ц и Г) с последующим разделением образующихся фрагментов в геле. С помощью этой методики можно определить полную нуклеотидную последовательность (НП) любого гена, а на основе генетического кода — аминокислотную последовательность соответствующего белка.

Разработка и совершенствование методов клонирования и секвенирования позволяют изучить геном любого организма, в том числе и человека. Ранее всего был изучен геном бактериального вируса 0X174. Он состоит из 5400 нуклеотидов и содержит 9 генов. Высочайшая эффективность созданного природой генетического кода видна из следующего сопоставления. Вирус 0X174 можно увидеть только с помощью электронного микроскопа, а запись его генетической информации, содержащейся в 9 генах, в виде линейной последовательности через буквы (А, Т, Г, Ц) занимает целую страницу текста. Запись в таком же виде информации, имеющейся в хромосоме животной клетки, составит книгу объемом более 500 000 страниц! Никакого строительного снабжения не хватит, чтобы построить библиотеку для десятков тысяч книг такого объема.

Уже полностью изучена н. п. хромосомных ДНК у более чем сотни микроорганизмов, включая Escherichia coli, Yersinia pestis, Mycobacterium tuberculosis и др. Хромосома E. coli K-12 состоит из 4 639 000 п. н. (4288 генов), из них на кодирующую часть генома приходится 88,6%. У других бактерий доля кодирующей части генома варьирует от 85 до 91%. Средний размер гена — 1 к. б., у Е. coli — 0,951 к. б. Хотя на некодирующие НП приходится малая часть генома, роль их, в особенности IS-элементов, транспозонов и т. п., в некоторых генетических процессах очень велика. Есть в геноме бактерий и «серые дыры», т. е. НП с неизвестной функцией.

Большая чать оперонов у Е. coli состоит не более чем из 3 генов, лишь 6% оперонов состоят из 4 и большего числа генов. В хромосомах разных видов бактерий обнаружены гены-гомологи, т. е. гены с идентичной последовательностью нуклеотидов. Идентичные (гомологичные) гены у разных видов называют ортологами. Например, около 1000 генов Bacillus subtilis имеют ортологов в геноме Е. coli. Наличие ортологов — доказательство общности происхождения видов.

Для изучения генома человека, которое началось в 80-х гг. XX в., была создана международная организация по изучению генома человека — HUGO (англ. Human Genome Organization — Организация генома человека). Ее основная задача — определить последовательное расположение всех нуклеотидов (а их около 3 млрд пар) во всех 23 парах хромосом — была успешно решена к концу 2000 г. Предстоит теперь выяснить функции всех генов, молекулярные основы наследственных и иных болезней, связанных с нарушением работы генов, и определить пути лечения таких болезней, в том числе с использованием методов генной инженерии. Рано или поздно генотерапия станет вполне реальной. Полное осуществление программы «Геном человека» — новое блестящее достижение науки в области биологии и медицины.