Геномы эукариотических организмов

Геномы эукариотических организмов - Первым геномом эукариотического организма, полная последовательность которого определена, стал геном дрожжей Saccharomyces cerevisiae [Goffeau et al., 1996]. Это явилось результатом усилий огромного числа ученых и лаборантов, работающих в лабораториях и крупных исследовательских центрах стран Западной Европы, а также в США и Японии. При этом следует отметить, что это был первый, стартовавший еще в 1989 г., проект по секвенированию полного генома свободноживущего организма, опередивший в этом отношении многие другие аналогичные проекты [Thomas, 1996]. В результате выполнения этого проекта было определено 12 млн 68 тпн, хотя весь полный геном дрожжей Saccharomyces cerevisiae, сосредоточенный по 16 хромосомам, оценивается в 13 389 тпн. Таким образом, более 1 мпн, приходящихся на повторяющиеся элементы в нескольких хромосомах и, главным образом, на повторы рДНК, расположенные в виде отдельного кластера на XII хромосоме, остались не секвенированными. Однако это не служит каким-то препятствием для дальнейшего анализа устройства и функционирования всего генома дрожжей и даже позволяет считать, что в результате выполнения этого проекта стала известна все-таки практически полная его последовательность. Более того, оказалось возможным определить число всех этих не секвенированных повторов. Так, например, было подсчитано, что кластер генов рРНК состоит приблизительно из 140 повторов и локализован на XII хромосоме. Гены малых ядерных РНК, напротив, разбросаны по многим хромосомам. Аналогичное распределение по разным хромосомам характерно и для 275 генов тРНК, относящихся к 43 семействам. К другим особенностям организации хромосом дрожжей можно отнести участки размером по 31 тпн, расположенные по краям самой малой хромосомы I и практически не содержащие генных последовательностей. Для многих хромосом характерно наличие протяженных или GC-богатых, или, наоборот, GC-обедненных участков, коррелирующих в некоторой степени с распределением генных последовательностей. 
 
Проведенный анализ нуклеотидной последовательности дрожжей Saccharomyces cerevisiae позволил выявить 6275 открытых рамок считывания, но, как считают авторы цитируемой работы, не похоже, что 390 из них действительно транслируются в какие-либо белки. Таким образом, число открытых рамок считывания для генома дрожжей принято равным 5885. Относительно небольшой размер генома дрожжей Saccharomyces cerevisiae в некоторой степени можно объяснить как малым размером самих интронов, так и их незначительным числом, поскольку интроны содержат только около 4% генов. Следует отметить, что больший размер генома (около 15 мпн) других дрожжей Schizosaccharomyces pombe, секвенирование которого также осуществляется в рамках специального проекта, обусловлен в значительной степени наличием протяженных интронов в 40% генов этого организма. Для 50% предполагаемых белковых продуктов из всего "протеома" были выявлены их принадлежности к той или иной функциональной группе белков. (Использованный авторами цитируемой работы термин "протеом", имеющий определенную аналогию с "геномом", и обозначающий всю совокупность продуцируемых организмом белков, достаточно емок и лаконичен). Так, 11% белков протеома дрожжей отвечают за метаболизм клетки, 3% - за репликацию, репарацию и рекомбинацию ДНК, 7% и 6% - за транскрипцию и трансляцию соответственно. Как подчеркивают авторы, необходимы дальнейшие усилия по выяснению точной роли белковых продуктов с привлечением в том числе методов биохимии и генетики. Уже стартовали проекты, посвященные функциональному анализу дрожжевого генома. 
 
Из других проектов по секвенированию эукариотических геномов необходимо отметить завершающееся в декабре 1998 г. секвенирование 100-мегабазного генома нематоды Caenorhabditis elegans. Секвенирование генома другого организма, ожидаемого не меньше Е. coli, плодовой мушки Drosophila melanogaster с ее геномом, равным приблизительно 130 мпн, находится сейчас на начальных стадиях и его ориентировочное завершение предполагается, исходя из реалий сегодняшнего дня, в 2002 г. Фронтальное секвенирование генома мыши (с предположительным завершением к 2005 г.) еще не начато и идет лишь подготовительная работа. Уже выполняются проекты по секвенированию геномов довольно просто устроенных организмов: Candida albicans, Dictyostelium discoideum, Giardia lamblia, Plasmodium falciparum, Trypanosoma rhodesiense и некоторых других. Кроме этого, проводится секвенирование генома рыб, собаки и некоторых других представителей царства животных. 
 
Среди объектов растительного царства ведется секвенирование двух модельных растений из класса однодольных и двудольных - риса (Oryza sativa) и резуховидки Таля, или арабидопсиса, (Arabidopsis thaliana) соответственно, а также некоторых других растений. Выбор этих модельных растений (рис и арабидопсис) связан, главным образом, с относительно малыми размерами их геномов [Gale, Devos, 1998]. Так, недавно было сообщено о секвенировании двух протяженных участков хромосомы 5 (1,6 мпн) и хромосомы 4 (1,9 мпн) арабидопсиса Arabidopsis thaliana [Sato et al., 1997; Bevan et al., 1998]. По состоянию на конец октября 1998 г. в общей сложности секвенировано и сопровождено аннотацией около 30 мпн арабидопсисного генома [Meinke et al., 1998]. Вообще, предполагается, что геном арабидопсиса содержит около 120 мпн, кодирующих приблизительно 20000 генов, распределенных по 5 хромосомам. В выполнении данного проекта принимают участие 25 исследовательских групп (17 из Европы, 7 - из США и 1 - из Японии). Его завершение запланировано на конец 2000 г. [Menike et al., 1998]. Геном риса значительно крупнее и составляет около 430 мпн, однако, учитывая важность этого злака для человечества, предполагается, что усилиями исследовательских групп из Европы, Китая, Японии, Южной Кореи, США и других стран его секвенирование будет завершено к 2005 г. При этом следует отметить, что геном риса уже картирован с высоким разрешением [Hong et al., 1997; Kurata et al., 1997]. 
 
В литературе появилось сообщение о принятом решении объединить усилия ученых нескольких институтов из Канады, Австралии и Германии для секвенирования мельчайших эукариотических геномов (380 тпн и 600 тпн), каковыми являются нуклеоморфы из двух групп водорослей [McFadden et al., 1997]. Нуклеоморфы представляют собой остатки ядер прежних свободноживущих эукариотических водорослей, поглощенные другими водорослями и существующие как бы полуавтономно. В то же время они сохранили все основные черты организации генетического материала, присущие эукариотам, и определение полных нуклеотидных последовательностей этих двух геномов может оказать значительную пользу при выявлении функциональной роли протеома более высокоорганизованных эукариот из царства растений.

В отличие от прокариот основная часть генома эукариот находится в специальном клеточном компартменте (органелле), получившем название ядра, а значительно меньшая часть - в митохондриях, хлоропластах и других пластидах. Так же, как и у прокариот, информационной макромолекулой генома эукариот является ДНК, которая неравномерно распределена по нескольким хромосомам в виде комплексов с многочисленными белками. ДНК-белковые комплексы эукариот получили название хроматина . На протяжении клеточного цикла хроматин претерпевает высокоупорядоченные структурные преобразования в виде последовательных конденсаций-деконденсаций. В соматических клетках при максимальной конденсации вметафазе митоза эти преобразования сопровождаются формированием метафазных хромосом . Морфология и число метафазных хромосом являются уникальными характеристиками вида.

Совокупность  внешних признаков хромосомного набора эукариот получила название кариотипа . Эти признаки используются в систематике.

Содержание  ДНК у эукариот в расчете на одну клетку в среднем на два-три порядка выше, чем у прокариот, и у разных видов животных изменяется от 168 пг (амфибии) до 1 пг (некоторые виды рыб). У человека имеется около 6 пг ДНК на диплоидный геном, суммарная длина которой приближается к 6*109 п.о. Повышенное содержание ДНК в геноме эукариот нельзя объяснить одним лишь увеличением потребности этих организмов в дополнительной генетической информации в связи с усложнением организации, поскольку большая часть их геномной ДНК, как правило, представлена некодирующими последовательностями нуклеотидов. Размер генома организмов, находящихся на более низких ступенях эволюционного развития, зачастую превышает размеры геномов более высокоорганизованных животных и растений. Известно, что большая часть ДНК генома эукариот не кодирует РНК и белки, и ее генетические функции не вполне понятны.

Геном эукариот составляют уникальные и повторяющиеся последовательности нуклеотидов. Содержание уникальных последовательностей в геноме, определенное на основании кинетики реассоциации фрагментированной ДНК, варьирует у разных организмов, и их доля составляет 15-98% от всей ДНК. Несмотря на то, что во фракцию уникальных последовательностей попадают многие структурные гены, большая часть уникальных последовательностей является некодирующей и обычно не заключает в себе генетической информации в общепринятом значении этого термина: не кодирует функционально значимые полипептидные цепи или РНК. Примером таких уникальных последовательностей являются интроны, общий размер которых, как правило, на порядок и более превышает суммарный размер экзонов содержащих их генов.

Эволюционное  возникновение мозаичной (интрон-экзонной) структуры генов эукариот, так же как и консервативный характер наследования размеров и взаимного расположения интронов в генах, не находит исчерпывающего объяснения из-за кажущегося отсутствия фактора давления естественного отбора на последовательности нуклеотидов без четких биологических функций. Наибольшее распространение получила концепция В. Гилберта (1977 г.), согласно которой появление интронов, по-видимому, совпавшее по времени с эволюционным возникновением многоклеточных организмов, обеспечило возможность обмена экзонами между неродственными генами (exon shuffling). Такой обмен должен сопровождаться образованием новых белков мозаичного строения, составленных из готовых полипептидных функционально значимых модулей (доменов), ранее принадлежавших другим белкам. Следствием этого было ускорение образования белков и ферментов с новыми функциями, а также эволюционные преобразования организмов, реализующих такие молекулярные механизмы. Эта точка зрения получила название " гипотезы позднего возникновения интронов" (intron late) . В соответствии с гипотезой Дж.Е. Дарнелла и В.Ф. Дулиттла (1978 г.), современные интроны представляют собой "эволюционные реликты", бывшие когда-то частью гигантских генов.

Геном эукариот значительно больше по своим размерам чем геном прокариот. Так максимальный размер генома прокариот не превышает 8*10⁶ п. и., в то время как у дрожжей он равен 1,35*10⁷, у шелкопряда 5*10⁸, у шпорцевой лягушки, мыши и человека - 3*10⁹, У некоторых растений и амфибий геном достигает 1011 п.н. Из приведенных примеров видно, что размер генома не прямо зависит от систематического положения организма. Считается, что геномы высших организмов содержат большой избыток ДНК, Так геном млекопитающих содержит не менее 3*10⁹ п.н., что достаточно для кодирования 3 млн. белков средних размеров. Однако по расчетам, количество белков у млекопитающих составляет несколько десятков тысяч. Геном человека насчитывает около 3,3 млрд. нуклеотидных пар (гаплоидный набор), что соответствует примерно 3,5 пикограммам ДНК, при этом на долю кодирующих областей приходится не более 3%.

Самыми маленькими геномами могут обладать паразитические организмы — наиболее ярким примером тут являются вирусы, но то же самое верно и для бактерий, которые живут исключительно внутри клеток эукариот, и для «аналогичных» паразитов-эукариот, никогда не покидающих цитоплазмы своих «бóльших» собратьев. Самым маленьким геномом среди свободноживущих (непаразитических) эукариот обладает сумчатый гриб Ashbya gossypii