Геномика как наука. Цели, задачи геномики. История развития. Роль геномики в развитии медицины, фундаментальной биологии. Персональная медицина
 Скачать 29.03 Kb.
|
Геномика – наука, изучающая организацию, функции и эволюцию геномов. Три основных направления:
геном- совокупности всех генов организма; Основная цель:получение информации обо всех потенциальных свойствах клетки, которые не реализуются на данный момент; Задачи геномики: установление полной генетической характеристики всей клетки - количества содержащихся в ней генов и их последовательности, количества нуклеотидов в каждом гене и их последовательности, количества нуклеотидов в каждом гене и их последовательности, определение функций каждого гена. История. Успехи генетики, молекулярной биологии, биохимии привели к формированию в 1990-х гг двух новых фундаментальных дисциплин- геномики и протеомики. Роль в медицине.
Роль в биологии.
Песональная медицина.
2. Секвенирование по Сэнгеру. Выделяют фрагмент ДНК. Затем во многа раз его размножают методом ПЦР. Затем в эти пробирки добовляют ДНК-полимеразу, олигонуклеотидные праймеры и смесь четырех дезоксинуклеотидов (dNTPs) (А, Т, G и C), один из которых радиоактивно помечен по α-положению фосфата (32P). В каждую из четырех реакций добавляется по одному дидезоксинуклеозидтрифосфату (ddATP, ddTTP, ddCTP или ddGTP), которые терминируют дальнейшую реакцию (синтез комплементарной молекулы ДНК с матрицы) — таким образом в каждой пробирке образуется набор фрагментов ДНК разной длины, которые заканчиваются одним и тем же нуклеотидом. Затем полученные фрагменты визуализируют с помощью электрофореза и, сравнивая длины фрагментов из четырех реакций с ddATP, ddTTP, ddCTP или ddGTP, восстанавливают последовательность ДНК. Секвенирование по Сэнгеру позволяет «считывать» последовательности до 1000 пар нуклеотидов и применяется для небольших фрагментов генома/генов. В частности, оно используется для:
Метод секвенирования эн джи эс ДНК (определение последовательности нуклеотидов вмолекуле ДНК), основанный на принципе «секвенирование путем синтеза». Происходит выделение ДНК, затем ДНК разрушается на мелкие фрагменты (механическим или химическим способом), затем к этим фрагментам пришиваются небольшие адапторы под которые подбираются соответствующие праймеры, затем проводится ПЦР т.е. копируются эти участки ДНК в много раз, т.е. клонируются, а далее идеи прочитка этих участков. Прочитка: эти фрагменты помещают в ячейки, а сверху помещают мелкие шарики содержащие фермент. Затем добавляют ДНК полимеразу и последовательно 4 нуклеотида A, C, G и T. При включении нуклеотида происходит высвобождение пирофосфатов, вследствие чего вырабатывается АТФ и происходит вспышка света. В той ячейке где произошла вспышка света помечают ее той буквой какой нуклеотид добавили первоначально. Так проделывают для всех нуклеотидов по очереди. Недостатки: неточность прочтения гомополименрных участков, высокая цена в расчете на нуклеотид.
Один из методов секвенирования ДНК. В данном методе используют белковые или твердотельные поры диаметром несколько нанометров. Метод основан на измерении тока ионов через единичную нанопору в непроводящей мембране. При прохождении через эту пору нуклеотидов ток падает. Время, на которое изменяется ток ионов, и величина этого падения зависят от того, какой нуклеотид в данный момент находится внутри поры. Нанопоровые системы представляют собой реакционную камеру, внутри которой находится раствор электролита. Камера разделена на две части липидной мембранной или иной тонкой непроводящей поверхностью, в которую внедрена единичная нанопора. К частям камеры прикладывают напряжение, из-за чего возникает ток ионов через пору. Когда исследуемые молекулы проходят через пору по направлению поля, они уменьшают сечение, доступное для ионов, и сила тока падает. Анализируя изменение силы тока, можно определить свойства молекулы, проходящей через пору. В случае нуклеиновых кислот, диаметр используемых нанопор составляет несколько нанометров, из-за чего ДНК и РНК способны проходить сквозь пору только в одноцепочечной форме. Отдельные нуклеотидызадерживаются в определенных сайтах внутри поры и ток падает. Хеликаза- расплетает 2-х цепочную ДНК и 1 цепочка поступает в канал поры. Экзонуклеаза-цепь нуклеиновой кислоты нарезается на единичные нуклеотиды, и под действием поля отрицательно заряженные нуклеотиды самостоятельно попадают в пору.
Прокариоты – одноклеточные организмы, не имеют оформленного ядра, внутриклеточных органелл и цитоскелета. Большой диапазон генов от 0,5 миллионов п.н. до 13 миллионов п.р. У представителей архей генов варьируется от 0,5 миллионов п.н. до 6 миллионов п.н. Весь генетический материал располагается в цитоплазме. В геноме присутствуют внехромосомные генетические элементы – плазмиды. У них кольцевая молекула ДНК небольшого размера. Плазмиды не являются жизненно необходимыми элементами по сравнению с хромасомами. Виды плазмид: р-плазмида несет устойчивость и резистенцию к антибиотикам; эф плазмида это половые плазмиды, обеспечивают способнасить конъюгации между бактериями; киллер плазмида несут таксины которые убивают другой организм; плазмиды деградации несут гены кодирующие ферменты, которые разрушают необычные источники углерода; плазмиды вирулентности находятся гены которые позволяют вызывать болезни у эукариот. Хромосомы представлены в виде кольцевых двух и одноцепочечных молекул ДНК, бывает и линейная но она очень редка встречается. Большая часть генома представлена кодирующими генами. Наблюдается высокая плотность генов. Плотность выражается количеством кодирующих ДНК на 1 миллион п.н. У прокариот плотность генов 80-90%. У них выявлена закономерность, чем больше размер генома тем больше находится генов которые кодируют. Размер 1 гена 1000 п.н. Прокариотам присуща оперонная организация генов. Оперон это один или несколько генов которые считываются с промотора транскрипции как единая система. Геном характеризуется своими повторами (повтор нуклеотидов). По расположению друг относительно друга повторы бывают: тандемными (повторы идут друг за дружкой) и диспергированные – повторы располагаются на значительном расстоянии друг от друга. Присущи мобильные генетические элементы. Это ДНК-транспазоны (содержат гены устойчивости к антибиотикам), вырабатывают фермент транпазазы. Прокариотам присущ горизонтальный перенос генетической информации – передача генетической информации от одной клетки к другой клетке. Способы горизонтального переноса: трансформация – поглощение ДНК из вне и встраивание ее в свою хромосому, только для грамм положительных бактерий; трансдукция – бактериофага захватывают кусочек ДНК бактерии, при ее гибели, и эта ДНК встраивается в следующую бактериальную клетку, которую бактериофаг разрушает; коньюгация – передача генетической информации через коньюгативный мостик. Весь геном прокариот можно разделить на Сог-геном (основной геном, он постоянный) и пангеном (он небольшой и непостоянный, меняется по составу)
Преобразование генома в эволюции эукариот связаны с нарастающим увеличением количества ДНК. Ядерная ДНК имеет линейную форму, митохондриальная и хлоропластная ДНК имеют кольцевые и линейные формы. Диапазон размера генома от десятков миллионов до сотен миллиардов п.н. Большая часть ДНК не кодирует. В составе ДНК обнаруживаются повторяющиеся последовательности. Вся масса ДНК распределена между определенным числом специализированных структур - хромосом. диплоидный набор хромосом. Эукариоты по сравнению с прокариотами имеют низкую плотность генов. Наличие прерывистой структуры генов - наличие участков: Экзонов-кодируют, Интронов-не кодируют. Благадаря этому получают большое разнообразие белков при помощи альтернативного сплайсинга (удаление интронов и сшивание экзонов тех нуклеотидных последовательностей для определенного белка). Чем сложнее эукариотический организм, тем больше и длиннее интроны. Чаще всего 1 экзон=1 ген и 1 интрон на 1 ген У человека 6% экзоны (48мВ) 60 интронов (1152 мВ) на 1 ген Геном эукариот содержит меньше генов, чем белков. Человек: 3,2 млрд. (109) п.н.; 25 тыс. генов; 0,5 * 106 белков 1 ген где-то 1000 п.н. 25 тыс. генов≠25 млн белков. Нехарактерна оперонная организация генов, исключение нематоды и простейшие. Встречаются псевдогены, нерабочие варианты одного из рабочего гена, образуются в результате дупликации, мутации, они ничего не кодируют. Есть гены кодирующие РНК (тРНК, рРНК, мяРНК) Есть мобильные генетические элементы– участки генома способны к перемещению из одной точки гена в другую и размножению - транспозоны (фермент транспозаза) и ретротранспазоны (ретровирусы встраивают свой геном в ДНК и образуют дефект, фермент интеграза; неретровирусы – фермент обратная транскриптаза сайн элимент и лайн элимент). Есть мало уникальных последовательностей. Много повторов: низкочастотные (повторяются 10 раз), среднечастотные (10-10000 раз, в результате кросинговера), высокочастотные повторы (10 миллионов на геном, они в свою очередь делятся на минисателиты – 10-500 миллионов п.н. и микрасателиты – 1-5 миллионв п.н.) На концах хромосом распологаются теломерные повторы (защищают хромосому от укорочения, они ничего не кодируют)– повторы на концевых участках хромосом. Повторы– это блоки повторяющихся нуклеотидов. У человека TTAGGG Парадокс величины С- отсутствие соответствия между величиной С и предполагаемым количеством генетической информации, содержащейся внутри генома. Парадокс размера генома: не соответствие размера генома и количества генов. а) размеры генома большинства эукариот настолько велики, что их потенциальная информационная емкость намного превышает реальное число генов; б) виды одного и того же рода могут существенно отличаться по величине генома; в) реликтовые формы по содержанию ДНК на клетку зачастую превосходят представителей эволюционно преуспевающих таксономических групп. |