Biologia
  Wiw.pl   Na bieżąco:  Informacje   Co nowego   Matematyka i przyroda:  Astronomia   Biologia   Fizyka   Matematyka   Modelowanie rzeczywistości   Humanistyka:  Filozofia   Historia   Kultura antyczna   Literatura   Sztuka   Czytaj:  Biblioteka   Delta   Wielcy i więksi   Przydatne:  Słowniki   Co i gdzie studiować   Wszechświat w obrazkach    
 Jesteś tutaj:  Wirtualny Wszechświat > Biologia > Genetyka > Genetyka molekularna 
  Indeks
Genetyka
Historia odkryć . . .
Podstawy genetyki
Genetyka molekularna
Klonowanie genów
Sekwencjonowanie . .
Struktura genu i . . .
Wielkość genomu
Specjalistyczne . . .
Czynniki . . .
Geny i ewolucja
Świat wirusów i . . .
Inżynieria genetyczna
Słowniczek
  Źródło
Wybrane fragmenty pochodzą z książki
Język genów autorstwa Paul'a Berg'a i Maxine Singer


  Określanie wielkości genomu
 
Wielkość genomu
 
P
ierwszych szacunków wielkości genomu dokonano w latach sześćdziesiątych i uzyskano paradoksalne rezultaty. E. coli, typowy prokariont, ma genom złożony z 4,5 miliona par zasad. Ponieważ wiedziano, że istnieje około 4 tysięcy genów E. coli o średniej długości tysiąca par zasad, wynik nie budził zastrzeżeń. Jednak, jak się okazało, wiele genomów eukariotycznych zawiera tysiące razy więcej DNA – 6–8 miliardów par zasad na komórkę diploidalną, zatem 3–4 miliardy na pełny genom haploidalny. Ten wynik był zaskakujący i zagadkowy, ponieważ szacowano (i szacuje się nadal), że do zakodowania złożonego organizmu eukariotycznego powinno wystarczyć około 100 000 genów. Oznacza to, że jeżeli przeciętny gen ma 1000 par zasad długości, to jedynie 100 milionów z 3–4 miliardów par zasad całego genomu tworzy wszystkie geny. Genomy niektórych grzybów, na przykład drożdży, zawierają od 10 do 100 milionów par zasad, jednak większość genomów ssaków i roślin jest dużo większa.
       Teraz, kiedy sklonowano i zsekwencjonowano już długie odcinki obecnego w komórkach DNA, stało się jasne, że większość eukariotycznego genomu to właśnie „nadmiarowy” DNA. Dużą jego część stanowią introny, a także długie ciągi nie kodującego DNA występującego pomiędzy genami. Warto więc pamiętać, że chociaż geny to odcinki DNA, jednak nie wszystkie odcinki DNA to funkcjonalne geny. Część nadwyżki DNA można też wytłumaczyć obecnością wielu kopii tego samego genu.
       Występowanie licznych kopii poszczególnych genów nie jest cechą wyłącznie eukariontów; E. coli, na przykład, ma siedem genów dla rRNA, prawdopodobnie do przeprowadzania szybkiej syntezy dużej liczby rybosomów. Transkrypcja jednego tylko genu dostarczałaby rRNA zbyt wolno, by zaspokoić potrzeby gwałtownie rosnącej komórki. Eukarionty również mają liczne kopie genów do rozwiązywania podobnych problemów zaopatrzeniowych; na przykład w typowym genomie ssaka jest kilkaset genów dla rRNA. Jednak eukarionty wykorzystują liczne kopie genów do innych celów. Różne niealleliczne geny kodujące takie same lub bardzo zbliżone białka często ulegają ekspresji w określonych tkankach lub na konkretnych etapach rozwoju dzięki wiązaniu się z różnymi czynnikami regulacyjnymi – powstające białka mają identyczne funkcje. W innych przypadkach sekwencje nukleotydowe dodatkowych kopii genu mogą różnić się wystarczająco, aby białka, które kodują, działały nieco inaczej.
       Kolejną część nadmiarowego DNA stanowią liczne niefunkcjonalne kopie genów, tak zwane pseudogeny. Pseudogeny zazwyczaj nie mogą ulegać ekspresji albo ze względu na liczne delecje (ubytki fragmentów sekwencji kodującej), albo z powodu mutacji uniemożliwiających syntezę białka, lub też brak odcinków promotorowych bądź sekwencji regulatorowych. Liczba pseudogenów jest różna dla różnych genów (od 1 do 1000) i zazwyczaj zmienia się w zależności od gatunku – wyjątkowo wysoka jest u ssaków.
       Okazuje się zatem, że w genomach eukariotycznych sekwencja genu może występować tylko raz lub też należeć do całej rodziny sekwencji powtórzonych. Członkami tej rodziny może być kilka funkcjonalnych genów, które są ze sobą blisko spokrewnione, ale ulegają ekspresji w różnych okresach rozwoju lub w różnych tkankach bądź komórkach, albo kilka pseudogenów, albo jednych i drugich. Bywa, że są zebrane razem w jednym regionie genomu albo rozrzucone nawet po wielu różnych chromosomach.
       Inną przyczyną wielkości niektórych genomów eukariotycznych jest występowanie rodzin sekwencji, które powtarzają się wielokrotnie, ale o ich znaczeniu ciągle niewiele wiemy. Klonowanie molekularne i sekwencjonowanie potwierdziło istnienie takich licznie występujących sekwencji DNA, odkrytych wcześniej dzięki klasycznym technikom biochemicznym. Rodziny powtarzających się sekwencji mogą zawierać setki tysięcy, a nawet miliony powtórzeń, i zwykle stanowią 10%, a często nawet niemal 50% genomu. Długość powtórzonej jednostki wynosi od dwóch do wielu tysięcy par zasad. Podobnie jak powtórzone geny, powtarzające się sekwencje albo występują bezpośrednio po sobie (na przykład: 5'–AGGAGGAGGAGG–... i tak dalej), albo są rozrzucone po różnych miejscach chromosomu.
       Techniki analizy molekularnej umożliwiły stwierdzenie, że pewne rodzaje sekwencji DNA występują w okolicy charakterystycznych struktur chromosomów, takich jak centromery, telomery czy organizatory jąderka. Na przykład region chromosomu nazywany organizatorem jąderka zawiera ciąg powtórzeń genów dla rRNA. Centromery i telomery większości chromosomów eukariotycznych również zawierają ciągi powtórzeń sekwencji nukleotydowych. Znaczenie powtórzeń centromerowych nie jest dobrze poznane. Powtarzające się sekwencje w centromerach są różne u każdego badanego gatunku. W rzeczywistości wcale nie muszą być konieczne dla właściwego działania centromeru – w przynajmniej jednym organizmie, drożdżach, centromery działają dobrze bez nich. Sekwencje DNA funkcjonalnych centromerów drożdży sklonowano. Długość ich wynosi zaledwie kilkaset par zasad i nie zawierają one powtórzeń.
       Telomery znajdują się na końcach długich liniowych dwuniciowych cząsteczek chromosomalnego DNA. U wszystkich eukariontów sekwencje telomerowe są bardzo podobne. Zawierają różną liczbę krótkich, następujących po sobie powtórzeń, takich jak:

5'–CCCTAACCCTAACCCTAA...
3'–GGGATTGGGATTGGGATT... itp.


u ludzi lub:

5'–CCCCAACCCCAACCCCAA...
3'–GGGGTTGGGGTTGGGGTT... itp.


u kilku pierwotniaków. Telomerowe powtórzenia są dodawane na końcach nowo powstałego DNA dzięki specjalnemu enzymowi. Te szczególne sekwencje terminalne pozwalają komórce odróżnić prawdziwe telomery od pękniętych chromosomów. Pęknięte chromosomy są często łączone w przypadkowy sposób, telomerowe zakończenia stanowią jednak pewne zabezpieczenie przed takimi niepożądanymi zdarzeniami.
       Wspomnieliśmy, że sklonowano funkcjonalny centromer drożdży; udało się również sklonować funkcjonalne telomery drożdżowe. Posługując się technikami rekombinacji DNA, skonstruowano liniowe cząsteczki DNA zawierające rejon centromeru drożdżowego, miejsce startu replikacji działające w drożdżach, a także kilka drożdżowych genów oraz odcinki telomerowe znajdujące się na końcach chromosomów drożdżowych. Cząsteczki te wprowadzone do komórek drożdży zachowywały się podczas mitozy i mejozy jak normalne chromosomy. Takie twory to w istocie sztuczne chromosomy. Do sztucznego chromosomu drożdżowego można włączyć bardzo długie odcinki, obcego – na przykład ludzkiego czy mysiego – DNA. Komórki drożdży i sztuczne chromosomy drożdżowe (YAC, od ang.: yeast artificial chromosome – przyp. tłum.) stały się ważnym systemem wektor–gospodarz umożliwiającym klonowanie ogromnych obszarów genomów.
       Nie są znane żadne proste zasady rządzące rozmieszczeniem genów w eukariotycznym DNA. Lokalizację genów na chromosomach można więc określić jedynie na drodze eksperymentalnej. Dość rozbudowane mapy genetyczne chromosomów muszki owocowej otrzymano w pierwszej połowie XX wieku dzięki genetyce klasycznej i technikom mikroskopowym. Zawierały one jednak tylko nieznaczną część wszystkich genów, aż do niedawna mapy genetyczne większości eukariontów były jeszcze uboższe i bardziej prymitywne. U ludzi kilka genów zmapowano na chromosomie X już w 1911 roku. Było to możliwe dzięki tej dogodnej okoliczności, że mężczyźni mają tylko jeden chromosom X.
Choroby ludzkie związane z genami zlokalizowanymi na chromosomie X
       Organizmy rozmnażające się płciowo są zazwyczaj diploidalne i mają pary homologicznych chromosomów. Dwa chromosomy jednej pary wyglądają podobnie, a ponadto – co ważniejsze – zawierają bardzo podobne cząsteczki DNA i takie same zestawy genów. Określony gen może występować na obu chromosomach w takiej samej (allele identyczne – homozygota) lub nieco odmiennej postaci (różne allele – heterozygota). Jeśli u osobników heterozygotycznych jeden z alleli jest niefunkcjonalny, działanie organizmu może być normalne, o ile tylko drugi allel koduje funkcjonalne białko. Oto dlaczego mutacje tak trudno wykryć u eukariontów, a łatwo u organizmów haploidalnych, takich jak bakterie. U płciowo rozmnażających się eukariontów chromosomy płciowe Y i X nie tworzą jednak pary homologicznej. U ludzi i muszek owocowych, na przykład, normalne samice mają dwa chromosomy X, ale ani jednego chromosomu Y; normalne samce natomiast mają jeden chromosom X i jeden Y. Tak więc niefunkcjonalny allel genu położonego na chromosomie X ujawnia się u samców – nie mają one szans na drugi normalny gen. Nierozróżnianie barw czerwonej i zielonej (daltonizm) i choroby dziedziczne, takie jak hemofilia czy dystrofia mięśniowa Duchenne'a, które z reguły występują u mężczyzn, a są dziedziczone od matki, szybko skojarzono z chromosomem X. Geny odpowiedzialne za daltonizm były pierwszymi ludzkimi genami zlokalizowanymi na konkretnym chromosomie. Zlokalizowanie któregoś z ludzkich genów na chromosomie innym niż X zajęło pięćdziesiąt siedem lat (od 1911 do 1968).
       Do roku 1973 zlokalizowano zaledwie 60 ludzkich genów położonych na 22 chromosomach nie związanych z płcią (autosomach). Jednak już w 1981 roku, po wprowadzeniu metod rekombinacji DNA, liczba ta wzrosła do 400, a w 1991 roku, dzięki sklonowaniu wielu segmentów DNA, do 2100.1 Jednak nawet na szybko powiększających się mapach nie widać, by był jakiś systematyczny porządek w ułożeniu poszczególnych genów. Geny pokrewne lub obecne w więcej niż jednej kopii bywają skupione razem lub rozproszone po różnych chromosomach.
       W genomie ludzkim, na przykład, zakodowanych jest pięć różnych łańcuchów β hemoglobiny. Każdy z nich ulega ekspresji na innym etapie rozwoju, od zarodka aż po dojrzały organizm. Geny kodujące pięć łańcuchów β (β-globin) są położone jeden za drugim na chromosomie 11. Podobnie, trzy różne geny wyznaczające łańcuchy α hemoglobiny (α-globiny) występują razem, ale na chromosomie 16. Do skonstruowania funkcjonalnej cząsteczki białka hemoglobiny, która z krwiobiegiem przenosi tlen z płuc do wszystkich tkanek, potrzebne są pary α-globin i β-globin – łącznie cztery łańcuchy polipeptydowe. W różnych okresach życia organizmu wykorzystywane są różne typy α-i β-globin. Na przykład, odpowiednik α-globiny zwany ζ-globiną (zeta-globiną) oraz odpowiednik β-globiny zwany ε-globiną (epsilon-globiną) są wytwarzane jedynie u bardzo wczesnych zarodków. Ekspresja ich genów w dalszych fazach rozwoju jest wyłączana i podczas życia płodowego zastępują je: odpowiednik genu β-globiny – gen γ-globiny (gamma-globiny) oraz gen α-globiny. Natomiast po narodzinach ekspresji ulegają głównie geny δ-globiny (delta-globiny) i β-globiny. Wszystkie geny polipeptydów hemoglobiny mają podobną strukturę, a jeśli ma powstać funkcjonalna hemoglobina, musi zostać włączony jeden gen β-globiny i jeden α-globiny. Pomimo to, w ludzkim genomie (lub w genomach innych ssaków) te dwa zestawy genów nie są połączone. Sposób, w jaki dwa zestawy genów globinowych, położonych na różnych chromosomach, są tak znakomicie regulowane, jest bardzo ciekawym zagadnieniem. Zauważmy, że zarówno zestaw genów α-globinowych, jak i β-globinowych zawiera pseudogeny.

1 Do 1996 roku zidentyfikowano 54% genów człowieka, a zlokalizowano na mapie fizycznej chromosomów 16 354 z nich (przyp. tłum.)
góra strony
poprzedni esej
  
[1]
  
[2]
  
następny esej
Wiw.pl  |  Na bieżąco  |  Informacje  |  Co nowego  |  Matematyka i przyroda  |  Astronomia  |  Biologia  |  Fizyka  |  Matematyka  |  Modelowanie rzeczywistości  |  Humanistyka  |  Filozofia  |  Historia  |  Kultura antyczna  |  Literatura  |  Sztuka  |  Czytaj  |  Biblioteka  |  Delta  |  Wielcy i więksi  |  Przydatne  |  Słowniki  |  Co i gdzie studiować  |  Wszechświat w obrazkach