Гены

Введение

Гомоцистеин является продуктом превращения метионина, одной из восьми незаменимых аминокислот. Из гомоцистеина в дальнейшем может образовываться другая аминокислота, цистеин, не входящая в число незаменимых аминокислот.

Избыток накапливающегося в организме гомоцистеина может обратно превращаться в метионин. Кофакторами ферментов метаболических путей метионина в организме выступают витамины, самыми важными из которых являются фолиевая кислота, пиридоксин (витамин B6), цианокобаламин (витамин B12) и рибофлавин (витамин B1).

Гомоцистеин не является структурным элементом белков, а потому не поступает в организм с пищей. В физиологических условиях единственным источником гомоцистеина в организме является превращение метионина.

Гомоцистеин обладает выраженным токсическим действием на клетку. Для защиты клетки от повреждающего действия гомоцистеина существуют специальные механизмы выведения его из клетки в кровь. Поэтому, в случае появления избытка гомоцистеина в организме, он начинает накапливаться в крови, и основным местом повреждающего действия этого вещества становится внутренняя поверхность сосудов.

Для превращения избытка гомоцистеина в метионин нужны высокие концентрации активной формы фолиевой кислоты (5-метилтетрагидрофолата). Основным ферментом, обеспечивающим превращение фолиевой кислоты в ее активную форму, является 5,10 метилентетрагидрофолат-редуктаза (MTHFR). Снижение активности этого фермента — одна из важных причин накопления гомоцистеина в организме. (рис. 1)

Рис. 1

Обратите внимание на то, что гомоцистеин может образовываться только из метионина. Гомоцистеин может превращаться либо в цистатионин, который в дальнейшем используется для синтеза цистеина, либо в метионин

На всех ключевых этапах метаболизма метионина и гомоцистеина важную роль играют витамины. Красным цветом обозначен цикл превращения метионина, зеленым — цикл превращения фолиевой кислоты. MTHFR — 5,10 метилентетрагидрофолат-редуктаза.Метионин, гомоцистеин и фолиевая кислота являются аминокислотами. Аминокислоты являются важнейшими субстратами метаболизма азота в организме. От аминокислот берут начало белки, ферменты, пуриновые и пиримидиновые основания (и нуклеиновые кислоты), пиррольные производные (порфирины), биологически активные соединения пептидной природы (гормоны), а также ряд других соединений. При необходимости аминокислоты могут служить источником энергии, главным образом за счет окисления их углеродного скелета.В живых организмах аминокислоты образуют пул, величина которого во взрослом состоянии остается в физиологических условиях постоянной. Она соответствует разнице между поступлением аминокислот извне или иногда из эндогенных источников, и расходом аминокислот, служащих субстратами в анаболических и катаболических процессах. Живые организмы не запасают аминокислоты и белки впрок, поэтому необходимое количество азота (лучше в форме аминокислот) должно поступать с пищей. Во взрослом организме в физиологических условиях количество поступающего и выводящегося азота одинаково (азотное равновесие).Аминокислоты из экзогенных источников (из пищи) всасываются в пищеварительном тракте и переносятся кровью в печень и другие ткани и органы, где они далее используются. Кроме того, источником аминокислот (эндогенный источник) могут служить тканевые белки организма, которые постоянно подвергаются метаболизму с освобождением входящих в них аминокислот. Эти аминокислоты используются для синтеза новых белков лишь в малой степени, однако эндогенные источники очень важны, поскольку они обеспечивают около двух третей всего пула аминокислот, и только одна треть аминокислот поступает из пищи.Незаменимые аминокислоты — это те аминокислоты, которые не могут синтезироваться данным организмом. Для человека это валин, лейцин, изолейцин, лизин, метионин, треонин, фенилаланин, триптофан и, в определенных условиях, также аргинин и гистидин.

Формы синдрома Дауна

Наиболее частый вариант – появление дополнительной хромосомы в двадцать первой паре по ненаследственному пути. Он обусловлен тем, что во время мейоза эта пара не расходится по веретену деления. У пяти процентов заболевших наблюдается мозаицизм (дополнительная хромосома содержится не во всех клетках организма). Вместе они составляют девяносто пять процентов от общего количества человек с этой врожденной патологией. В остальных пяти процентах случаев синдром вызван наследственной трисомией двадцать первой хромосомы. Однако рождение двух детей с этим заболеванием в одной семье незначительно.

Что такое геном?

У большинства организмов в каждой клетке множество генов. Они работают не каждый сам по себе, а взаимодействуя друг с другом. Скажем, у львиного зева есть один ген, который определяет белую окраску лепестков, а другой – их красный цвет. Если оба эти гена оказались у одного растения, его цветы будут розовыми.

Гены могут подавлять или усиливать действие друг друга. Так, есть группа генов, которая определяет насыщенность кожи людей пигментом меланином. Чем больше у конкретного человека таких генов, тем темнее у него кожа. В общем, есть смысл говорить о геноме – совокупности генов одного организма (часто вместо этого используют термин «генотип»). Размеры генома очень различаются. Есть вирусы, у которых всего 2–3 гена; у человека же 20–25 тысяч пар активных генов.

Размер и структура генома

По соотношению между размерами генома и числом входящих в него генов можно выделить два класса:

1. Компактные геномы, имеющие не более десяти миллионов оснований. У них совокупность генов строго коррелирует с размером. Наиболее характерны для вирусов и прокариотов.
2. Обширные геномы состоят более чем из 100 миллионов пар оснований, не имеющих взаимосвязи между их длиной и количеством генов. Чаще встречаются у эукариотов. Большинство нуклеотидных последовательностей в этом классе не кодируют белков или РНК.

Исследования показали, что в геноме человека находится около 28 тысяч генов. Они неравномерно распределены по хромосомам, но значение этого признака остается пока загадкой для ученых.

Что такое мутация

При репликации (копировании) ДНК очень редко, но всё же могут возникать ошибки. Их называют мутациями. Ученые подсчитали, что представитель каждого нового поколения несет в своем геноме 1-2 новых мутации.

Обычно мутации возникают из-за повреждения ДНК в процессе копирования. Они могут привести к хромосомным аномалиям: когда достаточно большие участки хромосомы дублируются, удаляются или перегруппируются.

В результате мутаций белки начинают синтезироваться неправильно. В целом в организмах есть механизмы «ремонта» ДНК после мутаций или уничтожения клеток-мутантов, но они не всегда срабатывают.

Если мутации происходят в половой клетке, у плода могут неправильно сформироваться целые органы и системы. Если в обычной клетке, то могут появиться доброкачественные или злокачественные образования.

С другой стороны, отдельные мутации оказывались удачными. Они сыграли важную роль в процессе естественного отбора и привели к созданию более выносливых и приспособленных организмов.

Как работают гены

Гены можно разделить на две группы – структурные и регуляторные. В структурных генах хранится информация о полипептидных цепях – это собственно признаки. Регуляторные, или функциональные гены включают и выключают структурные гены.

Назначение структурного гена в любом организме – в нужный момент обеспечить появление в клетке белка, который он кодирует. Чтобы это произошло, задействуются различные части гена.

Так, промотор, который находится перед белок-кодирующей частью, задает основные характеристики активности гена. Промотор определяет, в каких клетках будет работать ген, насколько долго и с какой интенсивностью. В конце гена находится терминатор – это сигнал конца цепочки.

РНК-полимераза проходит путь от промотора до терминатора и выполняет синтез матричной РНК – своеобразной инструкции для синтеза белка, правильного расположения в нем нужных аминокислот. Этот процесс называют транскрипцией.

Регуляторные гены – это гены-регуляторы и гены-операторы. Оператор непосредственно связан с определенной группой структурных генов (и такая конструкция называется «оперон»). Регулятор через белок-репрессор воздействует на структурные гены и обеспечивает синтез белка – трансляцию.

В синтезе белка участвует два десятка аминокислот. Каждые три нуклеотида ДНК кодируют определенную аминокислоту. Трансляция происходит на базе РНК-копии гена из ДНК:

Матричная РНК выходит из ядра клетки в цитоплазму и связывается с рибосомой.

В рибосоме синтезируется РНК-копия гена по инструкции из матричной РНК. Затем у этой РНК-копии будет синтезироваться белок.

Из РНК-копии удаляются нитроны – нуклеотиды, которые не нужны для синтеза белка.

Оперон начинает реакцию по синтезу белка. Пока молекул белка недостаточно, белок-репрессор неактивен.

Как только накопилось достаточно молекул синтезируемого белка, белок-репрессор активируется.

Он связывается с геном-оператором.

После связывания синтез белка прекращается.

Прокариотические геномы

Прокариоты и эукариоты имеют геномы ДНК. Археи и большинство бактерий имеют одну круговую хромосому , однако некоторые виды бактерий имеют линейные или множественные хромосомы. Если ДНК реплицируется быстрее, чем делятся бактериальные клетки, несколько копий хромосомы могут присутствовать в одной клетке, и если клетки делятся быстрее, чем ДНК может быть реплицирована, множественная репликация хромосомы инициируется до того, как произойдет деление, позволяя дочерним клеткам наследовать полные геномы и уже частично реплицированные хромосомы. У большинства прокариот в геномах очень мало повторяющейся ДНК. Однако некоторые симбиотические бактерии (например, Serratia symbiotica ) имеют уменьшенные геномы и высокую долю псевдогенов: только ~ 40% их ДНК кодирует белки.

У некоторых бактерий есть вспомогательный генетический материал, также являющийся частью их генома, который содержится в плазмидах . Для этого слово геном не следует использовать как синоним хромосомы .

Свойства гена

У каждого человека имеется огромная молекула ДНК. Гены — это функциональные единицы в ее структуре. Но даже такие малые участки имеют свои уникальные свойства, позволяющие сохранять стабильность органической жизни:

1. Дискретность – способность генов не смешиваться.
2. Стабильность – сохранение структуры и свойств.
3. Лабильность – возможность изменяться под действием обстоятельств, подстраиваться под враждебные условия.
4. Множественный аллелизм – существование внутри ДНК генов, которые, кодируя один и тот же белок, имеют разную структуру.
5. Аллельность – наличие двух форм одного гена.
6. Специфичность – один признак = один ген, передающийся по наследству.
7. Плейотропия – множественность эффектов одного гена.
8. Экспрессивность – степень выраженности признака, который кодируется данным геном.
9. Пенетрантность – частота встречаемости гена в генотипе.
10. Амплификация – появление значительного количества копий гена в ДНК.

Эволюция генома

Геномы — это больше, чем просто сумма генов организма, и они обладают характеристиками, которые можно измерить и изучить без привязки к деталям каких-либо конкретных генов и их продуктов. Исследователи сравнивают такие характеристики, как кариотип (число хромосом), размер генома , порядок генов, систематическая ошибка использования кодонов и GC-контент, чтобы определить, какие механизмы могли привести к появлению большого разнообразия геномов, существующих сегодня (последние обзоры см. В Brown 2002; Saccone and Pesole 2003; Benfey and Protopapas 2004; Gibson and Muse 2004; Reese 2004; Gregory 2005).

Дубликаты играют важную роль в формировании генома. Дупликация может варьироваться от удлинения коротких тандемных повторов до дублирования кластера генов и вплоть до дублирования целых хромосом или даже целых геномов . Такие дупликации, вероятно, имеют фундаментальное значение для создания генетической новизны.

Горизонтальный перенос генов используется для объяснения того, почему часто существует крайнее сходство между небольшими частями геномов двух организмов, которые в остальном очень отдаленно связаны. Горизонтальный перенос генов, по-видимому, распространен среди многих микробов . Кроме того, эукариотические клетки, похоже, испытали перенос некоторого генетического материала из своих хлоропластных и митохондриальных геномов в свои ядерные хромосомы. Последние эмпирические данные показывают, что вирусы и субвирусные РНК-сети играют важную роль в создании генетической новизны и естественного редактирования генома.

Геном

Основу генома составляет молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты, хорошо известная как ДНК. Все геномы содержат по крайней мере два вида информации: кодированная информация о структуре молекул-посредников (так называемых РНК) и белка (эта информация содержится в генах), а также инструкции, которые определяют время и место проявления этой информации при развитии организма. Сами гены занимают небольшую часть генома, но при этом являются его основой. Информация, записанная в генах, — своего рода инструкция для изготовления белков, главных строительных кирпичиков нашего тела.

Однако для полной характеристики генома недостаточно заложенной в нем информации о структуре белков. Нужны еще данные об элементах генетического аппарата, которые принимают участие в работе генов, регулируют их проявление на разных этапах развития и в разных жизненных ситуациях.

Но даже и этого мало для полного определения генома. Ведь в нем присутствуют также элементы, способствующие его самовоспроизведению (репликации), компактной упаковке ДНК в ядре и еще какие-то непонятные пока еще участки, иногда называемые «эгоистичными» (то есть будто бы служащими только для самих себя). По всем этим причинам в настоящий момент, когда заходит речь о геноме, обычно имеют в виду всю совокупность последовательностей ДНК, представленных в хромосомах ядер клеток определенного вида организмов, включая, конечно, и гены.

Что такое хромосомы

Хромосома образуется из очень длинной молекулы ДНК, которая содержит повторяющиеся цепочки генов. У каждого вида свой набор хромосом (кариотип). Например, у человека 46 хромосом: 22 пары аутосом разной длины и пара половых хромосом – XX или XY.

В геноме человека насчитывается 20-25 тыс. генов. Если молекулу ДНК из самой длинной хромосомы расположить вдоль линии, она займет около 1,5 м. Длина отдельного участка ДНК, который кодирует ген, составит всего 0,005 мм.

Место хранения определенного гена в хромосоме называют локусом. В каждом локусе – определенный аллель гена, одна из нескольких его форм.

Аллели могут быть одинаковыми – тогда говорят, что организм гомозиготный. Если аллели разные, то один из них главенствует, доминирует над другим. Доминантный ген подавляет рецессивный. В результате проявляется только один признак, но наследуются оба.

Набор хромосом и аллелей генов в них определяет наш внешний вид, физические и психические данные. Это база, которую затем изменяют природа, среда, образ жизни и т.д.

В художественной литературе

Работы в жанре научной фантастики демонстрируют озабоченность по поводу доступности последовательностей генома.

Роман Майкла Крайтона 1990 года « Парк юрского периода» и последующий фильм рассказывают историю миллиардера, который создает тематический парк клонированных динозавров на отдаленном острове, что привело к катастрофическим последствиям. Генетик извлекает ДНК динозавров из крови древних комаров и заполняет пробелы ДНК современных видов, чтобы создать несколько видов динозавров. Теоретика хаоса просят высказать свое экспертное мнение о безопасности проектирования экосистемы с динозаврами, и он неоднократно предупреждает, что результаты проекта будут непредсказуемыми и в конечном итоге неконтролируемыми. Эти предупреждения об опасностях использования геномной информации — основная тема книги.

Действие фильма 1997 года « Гаттака» происходит в футуристическом обществе, где геномы детей спроектированы таким образом, чтобы содержать наиболее идеальную комбинацию черт их родителей, а такие показатели, как риск сердечных заболеваний и прогнозируемая продолжительность жизни, документируются для каждого человека на основе его генома. Люди, рожденные вне программы евгеники, известные как «недействительные», страдают от дискриминации и переходят к черным профессиям. Главный герой фильма — Недействительный, который пытается преодолеть предполагаемые генетические разногласия и осуществить свою мечту о работе космическим навигатором. Фильм предостерегает от будущего, в котором геномная информация питает предрассудки и крайние классовые различия между теми, кто может и не может позволить себе генетически модифицированных детей.

Что такое генетический код?

На каком «языке» в ДНК зашифровано строение белков? Белки живых существ сложены из 20–22 «кирпичиков» – аминокислот. Повторяясь и комбинируясь, они и образуют миллиарды вариантов. Значит, в ДНК должны быть некие «значки», которые будут соответствовать каждой из этих аминокислот. Такие «значки» есть. Это особые вещества – азотистые основания. В молекулу ДНК входит четыре их вида: аденин (А), тимин (Т), гуанин (Г) и цитозин (Ц). Комбинации этих «букв» и образуют генетический код – систему записи в ДНК информации о порядке аминокислот в молекуле белка.

У генетического кода несколько важных свойств:

– «трёхбуквенность»;

– непрерывность;

– неперекрываемость;

– однозначность;

– универсальность.

Почему код «трёхбуквенный»? Потому что если брать только две «буквы», то из них можно составить лишь 16 «слов» (АТ, ТА, ГА, АГ и т.д.). А аминокислот-то 20! Из троек же можно построить 64 сочетания.

Каждой аминокислоте соответствует своя тройка. Например, ААЦ – аминокислоте лейцину, ЦАТ – валину, АТА – тирозину. Вдоль нити ДНК выстроена запись из коротких «слов». Например: ААЦЦАТАТААТАААЦ. Эта «абракадабра» значит, что в каком-то белке аминокислоты должны стоять так: лейцин–валин–тирозин–тирозин–лейцин. Есть ещё и тройки «букв», которые показывают, с какого места начать и где закончить «чтение».

«Слова» записаны непрерывно, без пробелов. Это позволяет втиснуть больше информации, не увеличивая размер гена. Да и считывать сплошную строку не так трудно. Вам ведь понятна надпись: ДЫМШЁЛТРИДНЯ? (Кстати, ещё лет четыреста назад на Руси так и писали – не разделяя слов).

Универсальность кода означает, что он един для всех существ Земли. У ромашки, тигра, человека и вируса гриппа тройка ААЦ означает лейцин, ЦАТ – валин и т. д. Исключения единичны. Это даёт зелёный свет генетической инженерии: гены одних организмов вполне могут работать, попав в другие. Кстати, о зелёном свете. У одной из медуз есть белок, который излучает его во мраке океанских глубин. Южнокорейские биологи пересадили ген этого белка… кошкам. На новом месте он прижился, передался котятам по наследству, а главное – заработал! Интересно, труднее ли стало светящимся кошкам ловить мышей?

Что такое ген?

«На плечах» генов лежит огромная ответственность за то, как будет выглядеть и работать каждая клетка и организм в целом. Они управляют нашей жизнью от момента зачатия до самого последнего вздоха.

Мендель показал, что наследст­венные задатки не смешиваются, а передаются от родителей потомкам в виде дискретных (обособлен­ных) единиц. Эти единицы, представленные у особей парами (аллелями), остаются дискретными и передаются по­следующим поколениям в мужских и женских га­метах, каждая из которых содержит по одной едини­це из каждой пары. В 1909 году датский ботаник Иогансен назвал эти единицы генами. В 1912 году генетик из Соединенных Штатов Америки Морган показал, что они находятся в хромосомах.

С тех пор прошло больше полутора веков, и исследования продвинулись дальше, чем Мендель мог себе представить. На данный момент ученые остановились на мнении, что информация, находящаяся в генах, определяет рост, развитие и функции живых организмов. А может быть, даже и их смерть.

Гены —

Ген — структурная и функциональная единица наследственности, контролирующая развитие определенного признака или свойства. Совокупность генов родители передают потомкам во время размножения. В настоящее время, в молекулярной биологии установлено, что гены — это участки ДНК, несущие какую-либо целостную информацию — о строении одной молекулы белка или одной молекулы РНК. Эти и другие функциональные молекулы определяют рост и функционирование организма. В то же время, каждый ген характеризуется рядом специфических регуляторных последовательностей ДНК, таких как промоторы, которые принимают непосредственное участие в регулировании проявления гена. Регуляторные последовательности могут находиться как в непосредственной близости от открытой рамки считывания, кодирующей белок, или начала последовательности РНК, как в случае с промоторами (так называемые cis-регуляторные элементы, англ. cis-regulatory elements), так и на расстоянии многих миллионов пар оснований (нуклеотидов), как в случае с энхансерами, инсуляторами и супрессорами (иногда классифицируемые как trans-регуляторные элементы, англ. trans-regulatory elements).

Таким образом, понятие гена не ограничено только кодирующим участком ДНК, а представляет собой более широкую концепцию, включающую в себя и регуляторные последовательности. Изначально термин ген появился как теоретическая единица передачи дискретной наследственной информации. История биологии помнит споры о том, какие молекулы могут являться носителями наследственной информации. Большинство исследователей считали, что такими носителями могут быть только белки, так как их строение (20 аминокислот) позволяет создать больше вариантов, чем строение ДНК, которое составлено всего из четырёх видов нуклеотидов. Позже было экспериментально доказано, что именно ДНК включает в себя наследственную информацию, что было выражено в виде центральной догмы молекулярной биологии.

Гены могут подвергаться мутациям — случайным или целенаправленным изменениям последовательности нуклеотидов в цепи ДНК. Мутации могут приводить к изменению последовательности, а следовательно изменению биологических характеристик белка или РНК, которые, в свою очередь, могут иметь результатом общее или локальное изменённое или анормальное функционирование организма. Такие мутации в ряде случаев являются патогенными, так как их результатом является заболевание, или летальными на эмбриональном уровне. Однако, далеко не все изменения последовательности нуклеотидов приводят к изменению последовательности белка (благодаря эффекту вырожденности генетического кода) или к существенному изменению последовательности и не являются патогенными. В частности, геном человека характеризуется однонуклеотидными полиморфизмами и вариациями числа копий (англ. copy number variations), такими как делеции и дупликации, которые составляют около 1 % всей нуклеотидной последовательности человека. Однонуклеотидные полиморфизмы, в частности, определяют различные аллели одного гена.

Свойства генов

1. дискретность — несмешиваемость генов;
2. стабильность — способность сохранять структуру;
3. лабильность — способность многократно мутировать;
4. множественный аллелизм — многие гены существуют в популяции во множестве молекулярных форм;
5. аллельность — в генотипе диплоидных организмов только две формы гена;
6. специфичность — каждый ген кодирует свой продукт;
7. плейотропия — множественный эффект гена;
8. экспрессивность — степень выраженности гена в признаке;
9. пенетрантность — частота проявления гена в фенотипе;
10. амплификация — увеличение количества копий гена.

Классификация генов

1. Структурные гены — уникальные компоненты генома, представляющие единственную последовательность, кодирующую определенный белок или некоторые виды РНК.
2. Функциональные гены — регулируют работу структурных генов.

Геномные изменения

Все клетки организма происходят из одной клетки, поэтому ожидается, что они будут иметь идентичные геномы; однако в некоторых случаях возникают различия. Как процесс копирования ДНК во время деления клеток, так и воздействие мутагенов окружающей среды могут приводить к мутациям в соматических клетках. В некоторых случаях такие мутации приводят к раку, потому что они заставляют клетки быстрее делиться и вторгаться в окружающие ткани. В некоторых лимфоцитах иммунной системы человека рекомбинация V (D) J генерирует различные геномные последовательности, так что каждая клетка продуцирует уникальное антитело или рецепторы Т-клеток.

Во время мейоза диплоидные клетки дважды делятся с образованием гаплоидных зародышевых клеток. Во время этого процесса рекомбинация приводит к перетасовке генетического материала из гомологичных хромосом, так что каждая гамета имеет уникальный геном.

Полногеномное перепрограммирование

Общегеномное перепрограммирование в первичных половых клетках мышей включает стирание эпигенетического импринта, ведущее к тотипотентности . Перепрограммированию способствует активное деметилирование ДНК , процесс, который влечет за собой путь репарации эксцизией оснований ДНК . Этот путь используется для удаления метилирования CpG (5mC) в первичных половых клетках. Стирание 5mC происходит за счет его превращения в 5-гидроксиметилцитозин (5hmC) за счет высоких уровней десять-одиннадцати ферментов диоксигеназы TET1 и TET2 .

Генетика

Генетика — это наука, изучающая закономерности наследственности и изменчивости, а также обеспечивающие их биологические механизмы. В отличие от многих других биологических наук она с момента своего возникновения стремилась быть точной наукой. Вся история генетики — это история создания и использования все более и более точных методов и подходов. Идеи и методы генетики играют важную роль в медицине, сельском хозяйстве, генетической инженерии, микробиологической промышленности.

Наследственность — способность организма обеспечивать в ряду поколений преемственность морфологических, биохимических и физиологических признаков и особенностей. В процессе наследования воспроизводятся основные видоспецифические, групповые (этнические, популяционные) и семейные черты строения и функционирования организмов, их онтогенеза (индивидуального развития). Наследуются не только определенные структурно-функциональные характеристики организма (черты лица, некоторые особенности обменных процессов, темперамента и др.), но и физико-химические особенности строения и функционирования основных биополимеров клетки. Изменчивость — разнообразие признаков среди представителей определенного вида, а также свойство потомков приобретать отличия от родительских форм. Изменчивость вместе с наследственностью представляют собой два неразделимых свойства живых организмов.

Изменения хромосом в процессе деления клетки

Ген, геном, хромосома – это последовательные звенья цепи передачи информации, где каждое следующее включает предыдущее. Но и они претерпевают определенные изменения в процессе жизни клетки. Так, например, в интерфазе (период между делениями) хромосомы в ядре расположены рыхло, занимают много места.

Когда клетка готовится к митозу (т. е. к процессу разделения надвое), хроматин уплотняется и скручивается в хромосомы, и теперь его становится видно в световой микроскоп. В метафазе хромосомы напоминают палочки, близко расположенные друг к другу и соединенные первичной перетяжкой, или центромерой. Именно она отвечает за формирование веретена деления, когда группы хромосом выстраиваются в линию. В зависимости от размещения центромеры существует такая классификация хромосом:

1. Акроцентрические – в этом случае центромера расположена полярно по отношению к центру хромосомы.
2. Субметацентрические, когда плечи (то есть участки, находящиеся до и после центромеры) неравной длины.
3. Метацентрические, если центромера разделяет хромосому ровно посередине.

Данная классификация хромосом была предложена в 1912 году и используется биологами вплоть до сегодняшнего дня.

Клиника

Человека с синдромом Дауна можно узнать по характерным внешним признакам, вот некоторые из них:

— уплощенное лицо; — укороченный череп (поперечный размер больше продольного); — кожная складка на шее; — складка кожи, которая прикрывает внутренний угол глаза; — чрезмерная подвижность суставов; — сниженный тонус мышц; — уплощение затылка; — короткие конечности и пальцы; — развитие катаракты у детей старше восьми лет; — аномалии развития зубов и твердого неба; — врожденные пороки сердца; — возможно наличие эпилептического синдрома; — лейкозы.

Но однозначно поставить диагноз, основываясь только на внешних проявлениях, конечно, нельзя. Необходимо провести кариотипирование.

Мутации

Сами по себе мутации могут быть патогенными, то есть проявляться в виде заболеваний, либо летальными, не позволяющими организму развиваться до жизнеспособного состояния. Но большинство изменений проходит незаметно для человека. Делеции и дупликации постоянно совершаются внутри ДНК, но не влияют на ход жизни каждого отдельного индивидуума.

Делеция – это потеря участка хромосомы, который содержит определенную информацию. Иногда такие изменения оказываются полезными для организма. Они помогают ему защититься от внешней агрессии, например вируса иммунодефицита человека и бактерии чумы.

Дупликация – это удвоение участка хромосомы, а значит, и совокупность генов, которые он содержит, также удваивается. Из-за повторения информации она хуже подвержена селекции, а значит, может быстрее накапливать мутации и изменять организм.

Классификация

Структура гена содержит в себе не только информацию о белке, но и указания, когда и как ее считывать, а также пустые участки, необходимые для разделения информации о разных белках и остановки синтеза информационной молекулы.

Существует две формы генов:

1. Структурные – они содержат в себе информацию о строении белков или цепей РНК. Последовательность нуклеотидов соответствует расположению аминокислот.
2. Функциональные гены отвечают за правильную структуру всех остальных участков ДНК, за синхронность и последовательность ее считывания.

На сегодняшний день ученые могут ответить на вопрос: сколько генов в хромосоме? Ответ вас удивит: около трех миллиардов пар. И это только в одной из двадцати трех. Геном называется наименьшая структурная единица, но она способна изменить жизнь человека.

Секвенирование и отображение

Последовательность генома — это полный список нуклеотидов (A, C, G и T для геномов ДНК), которые составляют все хромосомы человека или вида. Внутри одного вида у разных особей подавляющее большинство нуклеотидов идентичны, но для понимания генетического разнообразия необходимо секвенирование нескольких особей.

Часть последовательности ДНК — прототипирование полного генома вируса

В 1976 году Уолтер Фирс в Университете Гента (Бельгия) был первым , чтобы установить полную нуклеотидную последовательность вирусной РНК-генома ( бактериофаг MS2 ). В следующем году Фред Сэнджер завершил первую последовательность ДНК-генома: фаг Φ-X174 , из 5386 пар оснований. Первые полные последовательности генома среди всех трех доменов жизни были выпущены в течение короткого периода в середине 1990-х годов: первым секвенированным бактериальным геномом был геном Haemophilus influenzae , завершенный группой из Института геномных исследований в 1995 году. Несколько месяцев спустя был завершен первый эукариотический геном с опубликованными последовательностями 16 хромосом почкующихся дрожжей Saccharomyces cerevisiae в результате предпринятых европейцами усилий, начатых в середине 1980-х годов. Первая последовательность генома архея , Methanococcus jannaschii , была завершена в 1996 году Институтом геномных исследований.

Развитие новых технологий сделало секвенирование генома значительно дешевле и проще, а количество полных последовательностей генома быстро растет. США Национальный институт здравоохранения поддерживает один из нескольких всеобъемлющих баз данных геномной информации. Среди тысяч завершенных проектов по секвенированию генома есть проекты для риса , мыши , растения Arabidopsis thaliana , рыбы фугу и бактерии E. coli . В декабре 2013 года ученые впервые расшифровали весь геном в виде неандертальца , вымершего вида людей . Геном был извлечен из пальца ноги 130-тысячного неандертальца, найденного в сибирской пещере .

Новые технологии секвенирования, такие как массивное параллельное секвенирование , также открыли перспективу индивидуального секвенирования генома в качестве диагностического инструмента, впервые предложенного Manteia Predictive Medicine . Важным шагом на пути к достижению этой цели стало завершение в 2007 году полного генома из Джеймс Д. Уотсон , один из соавторов первооткрывателей структуры ДНК.

В то время как последовательность генома перечисляет порядок каждой основы ДНК в геноме, карта генома определяет ориентиры. Карта генома менее подробна, чем последовательность генома, и помогает ориентироваться в геноме. Проект генома человека был организован и последовательность в геноме человека . Фундаментальным шагом в реализации проекта стал выпуск подробной геномной карты Жаном Вайссенбахом и его командой в Genoscope в Париже.

Контрольные последовательности генома и карты продолжают обновляться, устраняя ошибки и уточняя области высокой аллельной сложности. Снижение стоимости геномного картирования позволило генеалогическим сайтам предлагать его в качестве услуги до такой степени, что каждый может передать свой геном в краудсорсинговые научные проекты, такие как ДНК.ЗЕМЛЯ в Нью-Йоркском Центре генома , что является примером экономии за счет масштаба и гражданской науки .