какие гены за что отвечают

Сколько у нас генов?

Сколько у нас генов?

Найти ответ на этот вопрос оказалось куда сложнее, чем кто-либо предполагал

Автор

Редактор

Статья на конкурс «био/мол/текст»: Это интересный вопрос, ответ на который должен был дать проект «Геном человека», завершившийся в 2003 году. После того как ученые получили основную информацию о геноме человека, они попытались определить число генов, но эта задача оказалось не такой простой. Цель настоящей статьи — суммировать и проанализировать научные данные по составлению каталога генов у человека.

Конкурс «био/мол/текст»-2018

Эта работа опубликована в номинации «Свободная тема» конкурса «био/мол/текст»-2018.

Генеральный спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.

Спонсором приза зрительских симпатий выступил медико-генетический центр Genotek.

Как же мало известно о генах! Первый раз я остро ощутила это, находясь на практике в лаборатории медицинской генетики Харбинского медицинского университета. Исследовательская группа, где я проходила стажировку, занималась изучением онкогена Sei-1, который индуцирует образование двухминутных хромосом (DM), что способствует развитию онкогенеза. Однако механизм образования онкогена Sei-1 остается неизвестным до сих пор. А ведь различные мутации генов являются причиной возникновения и других опасных заболеваний человека, помимо рака. Итак, в данной статье мы изложим некоторые соображения о том, почему мы все еще многое не знаем о генах, а также сформулируем наше мнение о том, сколько генов у человека.

В 1977 году Фредерик Сэнгер впервые разработал метод секвенирования ДНК [1], основанный на терминации ДНК-полимеразной реакции с помощью дидезоксинуклеотидов, за что в 1980 году был удостоен Нобелевской премии в области химии. В этом же году Нобелевскую премию получили Максам и Гилберт, которые предложили метод секвенирования ДНК путем химической деградации. В 1985 году была выявлена первая полная последовательность ДНК бактерии (Haemophilus influenzae), в 1996 году получен первый геном эукариотической клетки (дрожжи Saccharomyces ceravisiae), а в 1998 году расшифрован геном дождевого червя (Caenorhabditis elegans). Завершение в 2003 году проекта «Геном человека» привело к публикации полной последовательности человеческого генома. Но «полной» ее можно назвать весьма условно, учитывая, что около 8% не секвенировано и по сей день [2].

Проект «Геном человека» и полный список генов

Выявление полного списка генов необходимо для выяснения молекулярных механизмов возникновения и развития рака, шизофрении [3], деменции, а также многих других заболеваний человека. Секвенирование ДНК, выделенной из тканей больных, позволяет выявлять такие мутации, как нуклеотидные замены, делеции и вставки, ответственные за возникновение этих заболеваний.

Рисунок 1. Арт-проект на выставке «Геном — расшифровка кода жизни» в Национальном музее естественной истории в Вашингтоне

Собственно, ради этого и затевался проект «Геном человека» (Human genome project, HGP), который продолжался с 1990 по 2003 год. Его основной задачей было определение нуклеотидной последовательности ДНК человека и локализации 100 000 человеческих генов (как тогда полагали) [4]. Параллельно с этим планировалось изучить ДНК набора модельных организмов, чтобы получить сравнительную информацию, необходимую для понимания функционирования генома человека. Предполагалось, что информация, полученная в результате HGP, станет настольной книгой для биомедицинской науки в XXI веке [5]. Целями данных исследований являлось получение информации о причинах ряда болезней [6] и, в конечном итоге, разработка способов лечения более чем 4000 генетических заболеваний, которые затрагивают человечество, включая многофакторные, в которых генетическая предрасположенность играет важную роль. Считалось, что результаты секвенирования генома позволят определить локализацию каждого гена и их общее количество. Однако последовавшие за этим события доказали обратное: сегодня существует несколько баз данных генов, которые существенно отличаются друг от друга. Причем число белок-кодирующих генов совпадает, а число генов других типов расходится.

Проект «Протеом человека»

В 2010 году по инициативе Организации по изучению протеома человека (Human proteome organization, HUPO) был начат проект «Протеом человека» (HPP), целью которого является создание полного списка белков вида Homo sapiens [7]. Для этого, во-первых, предполагается идентифицировать и охарактеризовать, по крайней мере, по одному белковому продукту белок-кодирующих генов, их однонуклеотидные полиморфизмы и варианты сплайсинга, а также виды посттрансляционной модификации белков [8]. Во-вторых, данные протеомики, полученные в результате реализации HPP, способствуют, в дополнение к геномным данным, решению различных биомедицинских задач и созданию новых аннотированных баз знаний, таких как neXtProt [9].

В настоящее время neXtProt содержит информацию о 17 487 белках, существование которых экспериментально подтверждено, 1728 белках, подтвержденных на уровне транскриптов, 515-и, определенных на основании гомологии, 76-и предсказанных и 571-м неизвестной природы. Особый интерес вызывают белки, существование которых экспериментально не доказано, хотя данные о том, что они кодируются геномом, существуют. Это так называемые «потерянные» белки, которые составляют примерно 18% всех кодируемых белков. Для выявления и характеристики таких белков создан ресурс MissingProteinPedia [7].

«Протеом человека» является продолжением проекта «Геном человека». Предполагается, что благодаря проекту по изучению протеома мы узнаем точное количество белок-кодирующих генов, что впоследствии позволит понять, сколько всего генов у человека.

Немного о РНК

Проект «Геном человека» показал, что молекулы РНК также важны для жизни, как и ДНК. Внутри клеток существует множество РНК (рис. 2). Изначально РНК подразделяются на некодирующие РНК (нкРНК), которые не транслируются в белки, и кодирующие РНК (мРНК), служащие матрицей для синтеза полипептидных цепей белка. Некодирующие РНК имеют более сложную классификацию. Они бывают инфраструктурными и регуляторными. Инфраструктурные РНК представлены рибосомными РНК (рРНК) и транспортными РНК (тРНК). Молекулы рРНК синтезируются в ядрышке и составляют основу рибосомы, а также кодируют белки субъединиц рибосомы. После того, как рРНК полностью собраны, они переходят в цитоплазму, где в качестве ключевых регуляторов трансляции, участвуют в чтении кода мРНК. Последовательность из трех азотистых оснований в мРНК указывает на включение определенной аминокислоты в последовательность белка. Молекулы тРНК, приносят указанные аминокислоты на рибосомы, где синтезируется белок.

Рисунок 2. Виды РНК

рисунок автора статьи

Регуляторные нкРНК очень широко представлены в организме, классифицируются в зависимости от размера и выполняют ряд важных функций (табл. 1).

Проблема терминологии

Прежде чем ответить на вопрос: «Сколько у нас генов?», нужно понять, что же такое ген?

Основное внимание HGP было направлено на белок-кодирующие гены [15]. Однако, как было указано в первоначальном докладе HGP в 2001 году, «тысячи генов человека продуцируют некодирующие РНК (нкРНК), являющиеся их конечным продуктом», хотя на тот момент было известно около 706 генов нкРНК [2]. В своей недавней статье, опубликованной в журнале BMC Biology Стивен Зальцберг (Steven L. Salzberg) дает следующее определение гена [16]:

Ген любой участок хромосомной ДНК, который транскрибируется в функциональную молекулу РНК или сначала транскрибируется в РНК, а затем транслируется в функциональный белок.

Это определение включает как гены некодирующих РНК, так и белок-кодирующие гены, и позволяет определять все варианты альтернативного сплайсинга в одном локусе как варианты одного и того же гена. Это позволяет исключить псевдогены – нефункциональные остатки структурных генов, утратившие способность кодировать белок.

Результаты двух первых исследований свидетельствовали о наличии у человека 31 000 [2] и 26 588 белок-кодирующих генов [17], а в 2004 появилась полная последовательность генома человека [4], и авторы подсчитали, что полный каталог насчитывает 24 000 белок-кодирующих генов. Каталог человеческих генов Ensembl включает 22 287 белок-кодирующих генов и 34 214 транскриптов [18].

Секвенирование нового поколения (NGS)

Появление высокопроизводительных методов параллельного секвенирования (в ходе такого секвенирования миллионы фрагментов ДНК из одного образца секвенируются одновременно) или секвенирования нового (следующего) поколения (next-generation sequencing, NGS) [1] позволило значительно ускорить поиск функциональных участков генома [4]. Биотехнологические компании разработали и коммерциализировали различные платформы для NG-секвенирования, позволяющие секвенировать от 1 млн до десятков млрд коротких последовательностей (ридов, reads) длиной 50–600 нуклеотидов каждая. К наиболее популярным платформам относятся такие, как Illumina и IonTorrent, использующие амплификацию ДНК с помощью ПЦР [19], а также платформы одномолекулярного секвенирования, такие как Helicos Biosciences HeliScope, Pacific Biosciences SMRT (single molecule real-time sequencing), и нанопорового секвенирования Oxford Nanopore, осуществляющие секвенирование в реальном времени и позволяющие прочитывать значительно более длинные риды — до 10–60 тыс. нуклеотидов. Кроме того, изобретение секвенирования РНК (RNA-seq) в 2008 году, которое создавалось для количественного определения экспрессии генов, также способствовало обнаружению транскрибируемых последовательностей, как кодирующих, так и некодирующих РНК [20].

Благодаря NGS, базы данных днкРНК и других генов РНК (таких как микро-РНК) резко выросли за десятилетие, и текущие каталоги генов человека теперь содержат больше генов, кодирующих РНК, чем белки (табл. 2).

Рисунок 3. Последовательность ДНК, получаемая после секвенирования человеческого генома

В ходе секвенирования РНК обнаружилось, что альтернативный сплайсинг, альтернативное инициирование транскрипции и альтернативное прерывание транскрипции проиcходят гораздо чаще, чем полагали, затрагивая до 95% человеческих генов. Следовательно, даже если известно местоположение всех генов, сначала нужно выявить все изоформы этих генов, а также определить, выполняют ли эти изоформы какие-либо функции или они просто представляют собой ошибки сплайсинга.

Базы данных генов человека

Задача по составлению каталога всех генов по-прежнему не решена. Проблема заключается в том, что за последние 15 лет только две исследовательские группы составили список доминантных генов: RefSeq, которая поддерживается Национальным центром биотехнологической информации (NCBI) при Национальных институтах здоровья (NIH), и Ensembl/Gencode, которая поддерживается Европейской молекулярно-биологической лабораторией (EMBL). Однако, несмотря на большой прогресс, сейчас в каталогах различается количество белок-колирующих генов, генов длинных некодирующих РНК, псевдогенов, а также варьирует количество антисмысловых РНК и других некодирующих РНК (табл. 2). Каталоги еще дорабатываются: например, в прошлом году сотни генов, кодирующих белок, были добавлены или удалены из списка Gencode. Эти разногласия объясняют проблему создания полного каталога человеческих генов.

В 2017 году была создана новая база данных генов человека — CHESS. Примечательно, что она включает все белок-кодирующие гены как Gencode, так и RefSeq, так что пользователям CHESS не нужно решать, какую базу данных они предпочитают. Бóльшее количество генов может вызывать больше ошибок, но создатели считают, что бóльший набор окажется полезным при исследовании болезней человека, которые еще не отнесены к генетическим. Набор генов CHESS в настоящее время в версии 2.0 еще не окончательный, и, безусловно, создатели работают над его усовершенствованием.

Таким образом, все еще неизвестно, сколько всего генов у человека. Существует ряд проблем, затрудняющих эту задачу. Например, многие гены (особенно, гены днкРНК), видимо, имеют высокую тканеспецифичность. Из этого следует, что пока ученые подробно не исследуют все типы клеток человека, они не могут быть уверены, что обнаружили все человеческие гены и транскрипты. Безусловно, сегодня знания о человеческих генах стали значительно обширнее, чем в начале проекта «Геном человека», а технологии совершеннее. Это дает надежду на то, что в скором времени мы узнаем точный ответ на поставленный вопрос.

Источник

Какие гены за что отвечают

За последние 20 лет достигнут прогресс в нашем понимании на молекулярном уровне структуры и функции генов и хромосом. Недавно, благодаря результатам проекта «Геном человека», эти знания были дополнены глубоким пониманием организации генома человека на уровне ДНК последовательности.

Эти достижения были в значительной мере вызваны потребностями молекулярной генетики и геномики в решении многих клинических проблем, предоставив инструментальные средства для новых методов медицинской генетики. В настоящей главе мы представляем обзор структуры и функционирования генов и те аспекты молекулярной генетики, которые необходимы для понимания генетического метода в медицине.

Возрастание объема знаний о генах и их организации в геноме оказало огромное влияние на медицину и наше восприятие физиологии человека. На заре новой эры Нобелевский лауреат 1980 г. Пол Берг проницательно указал:
«Подобно тому, как современная теория и практика медицины полагаются на углубленное знание анатомии, физиологии и биохимии человека, так в будущем потребуется подробное понимание молекулярной анатомии, физиологии, и биохимии генома геловека. Мы будем нуждаться в более подробных знаниях о том, как организованы и как функционируют и регулируются гены геловека. Нам понадобятся враги, так же сведущие в молекулярной анатомии и физиологии хромосом и генов, как кардиохирург — в структуре и работе сердца».

Как же 3 млрд кодовых букв генома человека описывают всю сложность анатомии, физиологии и биохимии человека, на которую указывал Берг? Все дело в увеличении количества информации при передаче ее в белки, управляющие множеством функций клеток, органов и всего организма, а также взаимодействие с внешней средой. Даже получив в руки по существу полную последовательность генома человека, мы все же не знаем точного количества генов в нем.

Современные оценки сходятся на том, что геном содержит около 25 000 генов, но эта цифра — только первый ориентир в загадке, возникающей при декодировании цифровой информации.

Продукт большинства генов — белок, структура которого в конечном счете определяет его конкретные функции в клетке. Однако если бы существовала простая взаимнооднозначная связь между генами и белками, мы могли бы получить максимум 25 000 различных белков. Это число представляется недостаточным, принимая во внимание обширную массу функций, выполняемых белками в клетках. Ответ на дилемму находится в двух характеристиках структуры и функции генов.

Во-первых, многие гены способны генерировать несколько различных белков. Такое возможно, благодаря альтернативным кодирующим сегментам гена и последующей биохимической модификации полученного белка. Эти две характеристики генома значительно увеличивают его информационное содержание. Подсчитано, что таким образом 25 000 генов человека могут кодировать до миллиона отличающихся белков.

Во-вторых, индивидуальные белки не функционируют сами по себе. Они формируют сложные функциональные сети, включающие множество различных белков и согласованно отвечающие на массу различных сигналов, как генетических, так окружающей среды. Комбинаторная природа генных сетей приводит к резкому увеличению разнообразия возможных функций клеток.

Гены распространены по всему геному, но тяготеют к объединению в отдельные группы или хромосомы и могут сравнительно редко встречаться в других регионах или в других хромосомах. Проиллюстрируем данное положение на примере хромосомы 11, сравнительно богатой генами — около 1300 генов, кодирующих белки. Гены не рассеяны вдоль хромосомы произвольно, их концентрация особенно велика в двух регионах с плотностью до одного гена на каждые 10 килобаз. Некоторые гены организованы в «семейства» родственных генов.

Другие области бедны генами, и есть несколько так называемых «генных пустынь», размером в миллион пар оснований и более, в которых нет никаких известных генов.

Гены, расположенные на аутосомах, имеют две копии: одна в хромосоме, унаследованной от матери, вторая в хромосоме, унаследованной от отца. В большинстве случаев обе копии аутосомных генов экпрессируются и генерируют конечный продукт. Однако некоторые гены генома — исключения из этого общего правила, и у них экспрессируется только одна из двух копий. Такая необычная форма регуляции генов получила название геномного импринтинга.

Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021

Источник

Что определяют наши гены. Генетика человека

Гены определяют время, когда какой-то наш талант или склонность проявится или нет.

Гены определяют, когда у нас просыпается половое влечение, и когда оно засыпает. Гены влияют и на счастье, и на черты характера.

Проанализировав данные по более чем 900 парам близнецов, психологи Эдинбургского университета обнаружили доказательства существования генов, определяющих черты характера, склонность к счастью, способность легче переносить стресс.

Гены дарят нам наши возможности, и гены же наши возможности ограничивают.

Если вы любите своего ребенка и учитесь быть хорошим родителем и воспитателем, гарантированы ли вам успехи? Нет. Каким бы талантливым педагогом вы ни были, у вас может родиться «кислый» или трудный ребенок, с которым реально мало что можно сделать. Если вы сделаете лучшее из возможного, то сможете уменьшить неприятности людям от этого ребенка, но успеете ли вы из него вырастить достойного человека за два десятка лет его воспитания? Так получается не всегда. Человек появляется на свет со своим характером, и он бывает очень разным. Некоторые дети рождаются сразу «домашними» — характер легкий, податливый, со взрослыми дружат и их слушают. У других характер самого начала трудный: им тяжело самим, тяжело с ними.

Что это значит? Только то, что стоит приглядываться к тому или той, с кем вы собираетесь создавать семью. Обращать внимание на родственников, учитывая не только то, что с ними придется встречаться, а и то, что тот или иной характер может оказаться и у вашего ребенка. Хороших вам родственников!

Если девушка родилась шатенкой с зелеными глазами и «предрасположенностью» к полноте, то можно, конечно, покрасить волосы и надеть цветные линзы: девушка все равно останется зеленоглазой шатенкой. А вот воплотится ли ее «предрасположенность» в пятьдесятбольшие размеры, носимые всеми ее родственницами, во многом зависит от нее самой. И уж тем более от нее самой зависит, будет ли она к сорока годам, сидя в этом пятьдесятбольшом размере, ругать государство и не сложившуюся жизнь (как это делают все её же родственницы) или найдет себе много других интересных занятий.

Какое соотношение у вас или у вашего ребенка? Понять это можно только опытным путем, начав с ребенком (или с собой) заниматься. Начинайте! Гены задают возможности, от нас зависит, насколько мы эти возможности реализуем. Если у вас хорошая генетика, вы можете сделать ее еще лучшей и передать своим детям как самый дорогой подарок. Наша ДНК запоминает, какое у нас было детство, есть наблюдения, что генетически передаются привычки, навыки, склонности и даже манеры. Если вы выработали у себя воспитанность, красивые манеры, поставили хороший голос, приучили себя к распорядку дня и ответственности, то есть неплохая вероятность, что рано или поздно это войдет в генотип вашей фамилии.

Думая о генетике, важно помнить, что человек живет и строит себя не в одиночестве. Если полагаться только на собственную генетику, можно остаться дикарем. Нас окружает культура, создававшаяся многими поколениями много сотен лет, вобравшая лучшее из генетики каждого. Нас учат, и мы можем учиться. То, что трудно в себе развить самостоятельно, может помочь развить учитель или тренер: возможно, у него именно к этому генетически заданный потрясающий талант. Люди могут помогать друг другу. Что один не сделает, сделаем вместе!

Источник

Что передается по наследству от родителей

Гены обоих родителей влияют на то, какие черты и характеристики получит их ребенок, и они называются наследственными чертами. Гены влияют не только на внешность человека, но и на его здоровье. Поэтому сегодня многие пары стараются учитывать семейную историю заболеваний в процессе планирования беременности. Современные методы диагностики позволяют оценить риски проявления тех или иных заболеваний у будущего потомства. В этой статье мы рассмотрим, какие генетические особенности передаются по наследству от родителей к ребенку и на что следует обращать внимание при планировании беременности и после рождения ребенка.

Генетические особенности, которые передаются по наследству

Дети наследуют свои гены как от матери, так и от отца, и в каждом человеке проявляются доминантные гены. Мальчики получают одну Х-хромосому и одну Y-хромосому, а девочки – две Х-хромосомы. Х-хромосома содержит больше генов, чем Y-хромосома, и, следовательно, девочки получают двойную возможность демонстрации доминантных генетических признаков, унаследованных от родителей. Например, гемофилия – это рецессивный признак. Мальчик может унаследовать гемофилию, в то время как его сестра не будет страдать этим расстройством, а только будет нести ген этого заболевания. Что передается по наследству от родителей:

Исследователи не выделили гены, которые могли бы нести маркеры для всех черт личности. Поскольку гены по-разному взаимодействуют друг с другом, может потребоваться несколько различных генетических комбинаций, чтобы ребенок приобрел какую-либо черту личности. Кроме того, гены могут включаться и выключаться также под влиянием факторов окружающей среды, образа жизни. По данным Genome News Network, гены могут влиять на химические вещества, такие как серотонин и дофамин, способные оказывать глубокое воздействие на мозг и способствовать появлению таких личностных качеств, как беспокойство или застенчивость.

Здоровье зубов передается по наследственности

Наследственность может повлиять на здоровье и красоту наших зубов, поскольку существует связь между некоторыми проблемами здоровья полости рта и генетикой. Вот некоторые из проблемы здоровья зубов, связанные с ДНК:

Хотя форму и размер зубов можно унаследовать от любого из родителей, гены отца в этом случае будут доминирующими. Так что, если у отца плохие зубы, ребенок, вероятно, тоже столкнется с похожими проблемами.

Однако не стоит винить в плохих зубах только гены, поскольку на их здоровье намного сильнее влияет окружающая среда, образ жизни человека и тщательность гигиены. Если вы знаете, что некоторые проблемы с зубами у вас семейные, вы можете снизить риск их проявления. Например, если у кого-то в семье был диагностирован рак полости рта, избегайте курения и употребления чрезмерного количества алкоголя.

Какие генетические особенности передаются от отца

Какие гены передаются от отца:

Какие генетические особенности передаются от матери

Вот набор некоторых черт, что передается генетически от матери к ребенку:

Близкие родственные связи нередко становятся причиной генетических мутаций, однако хотя многие состояния и болезни передаются на генетическом уровне, совершенно необязательно, что они проявятся у ребенка. К примеру, при таких состояниях, как волчанка или диабет, это уравнение выглядит намного сложнее. Хотя гены матери (или отца) могут нести повышенные риски возникновения этих заболеваний у ребенка, произойдет это только при сочетании генетики с рядом неблагоприятных факторов окружающей среды. Поэтому важно не только то, какие гены передаются от матери и отца, но и то, в каких условия и как живет человек. А знание о рисках эффективно помогает в предупреждении проявления наследственных заболеваний.

Преимущества проведения анализов в лаборатории Медикал Геномикс Украина

Лаборатория Медикал Геномикс Украина работает в сфере ДНК-тестов уже более 18 лет и предлагает широкий спектр генетических исследований, которые помогут вам найти ответы на самые сложные вопросы относительно вашего родства с кем-либо или узнать больше о вашем здоровье.

Здесь вы можете пройти тест для установления отцовства/материнства и родства с другими предполагаемыми родственникам, медицинские тесты по таким направлениям, как онкогенетика, репрогенетика, кардиогенетика, неврогенетика. Почему стоит выбрать лабораторию Медикал Геномикс Украина:

Все тесты выполняются конфиденциально и при необходимости их результаты могут быть обезличены. Позвоните нам, если вы хотите пройти ДНК-тест – наши консультанты ответят на все вопросы и помогут оформить заказ.

Источник