Шпаргалка по "Геномике"

Если посмотреть  на лайн-элементы то они имеют особенность  концентрироваться в АТ богатых  областях. Мимо этого пройти нельзя. У нас есть два фактически типа элемента  - это различные варианты L1 элемента. Поскольку они не идентичны, есть вариации. Большая часть их уже не скачет и цифры которые здесь написаны - это то время когда они инактивируются. Ну в любом случае, чем моложе этот элемент, тем в боле богатой АТ области он оказывается. Диаметрально противоположная ситуация получается для AU последовательности. Можно тоже не смотреть….  Просто по разным хромосомам показано. но общая тенденция одна и та же. Т е процент AU последовательностей растёт с увеличением содержания глицетата. И это показывает,  что единственный  мобильный генетический элемент AU имеет тенденцию накапливаться в кодирующих областях генома, более того показано, что AU не является таким стандартным паразитом. Во многих случаях она может  оказывать регуляторные функции оказываться полезной для генома, влияет на экспрессию соседних генов и даже и во многих случаях влияет хорошо. Т е во многих случаях инсерция AU рядом с каким-то геном необходима для того чтобы нормально  экспрессироваться. Ну если посмотреть,(рис9.27)

 что собственно  говоря кодируют гены в геноме  человека то тут анализ этот можно проводить очень долго и пока такие анализы оказываются не очень плодотворными, но всё таки одну вещь можно сказать: если попытаться посмотреть где располагаются и сколько у нас в геноме генов которые являются уникальными оказывается, что их можно сказать и нету, т.е около 1 % генов не имеют сходства с генами других организмов, а всё прочее присутствует в других геномах либо у позвоночных, либо у других каких-то животных, либо у эукариот, и где-то около пятой части генов у нас общих с прокариотами. 

Ещё одно не большое  отличие, т.е большое если сравнивать с беспозвоночными животными, возрастает процент белковых доменов, в данном случае, которые характеризуют внеклеточные и мембранные белки. (рис.9.28)

Вот здесь у  нас получается мембранные белки, тут внеклеточные, а эта часть внутриклеточные. Если посмотреть то у одноклеточных прокариот и дрожжей практически всё внутриклеточное, ну это и понятно потому что это одноклеточные организмы и много внеклеточных белков им не нужно, у беспозвоночных появляется значительный процент и внеклеточных и мембранных белков, поскольку они отвечают за коммуникации между клетками организма, у нс с вами этот процент ещё более возрастает, т.к более крупные, более сложные организмы, соответственно больший процент протеома отвечает за коммуникации. 

Ещё одна важная характеристика, которая отличает позвоночных  от беспозвоночных и в частности  человека, заключается в том, какие  домены и как сгруппированы,(рис. 9.29) обратите пока только внимание на верхнюю  часть

Здесь у нас представлена нематода, муха и человек. В верхней части слайда показаны родственные белки, в состав которых входят одни и теже домены. Ну в частности вот белки с хомеодоменом, ну надеюсь вы помните что это такое, ну это регуляторы индивидуального развития, эти белки присутствуют у всех организмов, разница заключается в том что у нас их оказывается гораздо больше, число их растёт и оно приблизительно одинаково для червяка и для мухи, у человека их больше и из этого можно полагать что у нас более сложное развитие, и вы сами понимаете, что это так и есть. Для других типов консервативных белков количестно возрастает, но это вовсе не обязательно, главное что возрастает количество доменов в составе белка, ну если сравнить регуляторов POZ доменов, они относительно не большие и человека и у мухи, увеличивается количество доменов которые там и так уже были и такая ситуация складывается не только с этими белками, а вот допустим с эти типом белков, здесь также увеличивается число этих доменов и для значительной части белков это в целом характерно, что белки получаются крупнее, но крупнее они не за счёт того что добавляется какая-то новая часть, ничего нового как правило не добавлется, а увеличивается количество уже имеющихся блоков. Ну если посмотреть, то во многих случаях масса таких примеров когда крупные белки составлены из повторяющихся единиц, повторяющихся многократно.

И ещё одна характеристика, это количество регуляторных белков как таковое. Обратите внимание на вот  эту диаграмму(ри.9.30)

Здесь отложены различные типы транскрипционных регуляторов, ну цвета обозначают, сначала идут дрожжи, потом нематода, потом муха и зелёным человек. В каждом классе практически без исключения в транскрипционных ругуляторов, вот это вот цинковые пальцы, это гомеодомены, спираль-петля-спираль, лейциновая застёжка и т.д. В каждом из этих хорошо знакомых вам регуляторов, их количество возрастает. Во-первых первый качественный скачёк на который я обращал ваше внимание происходит при переходе от одноклеточых эукариот к многоклеточным поскольку эти регуляторы значительная их часть отвечает за межклеточное взаимодействие. Ну и опять же резкий скачёк во многих функциональных категориях происходит у человека ну и у позвоночных в целом.

Суммарно этот слайд и предыдущий должны наводить вас на мысль о том что морфологическая сложность организма определяется не столько количеством генов, не столько размером генома, а тем как этот геном регулируется и экспрессируется. Даже это простое удвоение количества регуляторов во многих функциональных категориях, оно позволяет с тем же самым количеством генов получать гораздо больше т.е их можно включать и выключать в разных комбинациях в разное время в ответ на разные стимулы и это увеличивает адаптированность и позволяет из того же набора кирпичей построить  совсем другое здание.

Ещё один момент на который я хотел бы обратить ваше внимание, о к сожелению никак  в слайдах не отражается, когда  мы говорим о количестве генов  и я называю цифру в районе 25 тыс. вот эта цифра является фактически максимумом для животного если взять нас с вами если взять туже мышь или даже примитивное позвоночное животное у них у всех примерно около 25 тыс генов. Если взять беспозвоночное животное, то там только на 10 тыс генов меньше. Но это не означает что у нас практически одинаковая организация. Фактор который обязательно необходимо иметь ввиду, это то что в геномах позвоночных, точнее в клетках позвоночных гораздо шире идут процессы альтернативного сплайсинга и альтернативного полиаденилирования, альтернативный пути процессинга первичных транстриптов. В связи с активным использованием этих альтернативных путей с одного набора генов мы с вами можем получить как минимум в 2 раза больше белков а то и в 3 раза, т.е эти цифры точно пока ещё не определены, т.к это очень сложно сделать технически, но факт тот что как минимум в 2 раза больше белков, т.е у нас не меньше 50 тыс белков и оценки варьируют то 50 до 100 тысяч в организме человека. Понятно что эти различные белки будут созданы из одних и тех же строительных блоков – домены будут теже, но ра счёт разных комбинаций мы получаем разные функции и естественно это немного разные белки и получается большее разнообразие.

Так значит, на самом деле наше представление о  геноме человека уже сложилось после  завершения основной фазы геномного проекта, после того как были секвенированы следующие позвоночные животные (рис. 9.31)

Ну вот наиболее важные из них это мышь, крыса, рыба фугу, про это организм мы чуть попозже  поговорим и собака обычная. Т.е  счательный анализ этих геномов позволил уточнить и количество генов и количество экзонов, поскольку геномы оказываются во многом сходными, одинаковыми структурами, размер практический тот же самый, за исключением рыбы фугу. И первый такой анализ был сделан с мышью. И следующие несколько слайдов будут в основном про мышь.

Вот в частности, я уже говорил что наш с  вами генов где-то на 50% состоит из транспозонов, такая же цифра характерна для любого другого позвоночного, разница заключается в том  что это будет просто другой набор  транспозонов, и если брать любое другое позвоночное животное, то оказывается что в его геноме оказывается гораздо больше активных транспозонов. У нас с вами фактически один прыгает, а геномах других позвоночных  активны обычно все классы МГЭ включая ДНК-транспозоны. Детально мы останавливатся на этом не будем.

Здесь представлены (рис.9.32)те элементы с которыми мы уже  хорошо знакомы

Внизу у нас  человеческий геном и те транспозоны  на которых мы с вами останавливались  это LINE элементы и Alu последовательность. Тут хорошо видно где они распространяются. Те транспозоны и ядерные элементы которые активны имеют тенденцию скапливаться в АТ богатых местах, а Alu в кодирующих областях. Приблизительно такая же ситуация наблюдается и в геноме мыши вот LINE последовательность располагается, она похожа на LINE элементы в нашем с вами геноме, а вот это «сайн» элементы которые проэктируют на терментном аппарате LINE последовательности, у мыши просто нету основного «сайн» элемента у них просто части……примерно равнозначны, но суммарно это выглядит так как и у нас с вами. LINE элементы крупные имеют тенденцию накапливаться в интегрирующих областях, а «сайн» элементы не большого размера тяготеют к кодирующим областям, т.к скорее всего здесь также они имеют позитивное значение для функционирования генома.

Важный аспект этих сравнений это расположение синтеничных последовательностей (синтения – это упорядоченное расположение кодирующих участков с одинаковой функцие). Здесь вот (рис.9.33)

 показаны  экзоны расположенные на фрагменте  2-х хромосом  человека и мыши, линия которая соединяет эти 2-е хромосомы нарисована там где экзоны имеют сходство, т.е если вы посмотрите порядок один и тот же, порядок ровно выдерживается, немножко меняется расстояние где-то произошла делеция или наоборот здесь какой-то транспозон встроился, а так последовательность кодирующих участков совпадает и такие вот протяженные участки могут занимать миллионы нуклеотидных пар и они оказываются видны при более крупном масштабе.

Вот здесь вот (рис.9.35)

 показан  весь хромосомный набор мыши раскрашенный в соответствии с тем какой человеческой хромосоме наблюдается сходство. Если внимательно посмотреть на эти участки, то имеются огромные куски полностью синтеничные  нашей с вами хромосоме. Т.е в этих участках мышь от нас не отличается практически ничем, конечно я утрирую немного, но по крайней мере последовательность генов та же самая, т.е эти участки практически не видоизменялись разве что точечные мутации, но существенных реорганизаций не происходило и в целом для большинства позвоночных животных характерно приблизительно одно и тоже число хромосом, отличие обычно на одну две хромосомы.

Теперь давайте  немного о траглодитах побеседуем. (рис.9.38)

Шимпанзе –  самый близкий наш родственник, поэтому особый интерес к геному этого организма поскольку точно разобравшись с тем как работает геном шимпанзе можно делать кое какие выводы о том чем пренципиально мы от них отличаемся. Делать окончательные выводы пока рановато, одна из причин почему рановато, ну качество этого сиквенса не очень высокое, сделан совсем грубый черновик, сколько денег было столько и пустили, это опубликовано в 2005 году анализ, такого вот чёрного черновика. Ну, геном того же самого размера и очень важная цифра это вот эта, то что последовательность очень и очень сходна с нашей с вами т.е это очень много для позвоночных  с этими их геномами которые накапливают огромное количество транспозонов  и прочего всякого мусора, сходство ну почти сто процентное т.е действительно очень много. Где эти отличия располагаются? У нас примерно около 35 млн нуклеотидных замен и 5 млн инсерций делеций и незначительное количество хромосомных перестроек. Ну что бы у вас было представление о масштабах этих сравнений, я уже говорил или не говорил, о том каков полиморфизм внутри человеческой популяции, даже внутри популяции одной рассы не считая различия между расами, стандартный уровень полиморфизма одна десятая процента, т.е два человека отличаются друг от друга на одну десятую процента, реально уровень полиморфизма оценивают в один миллион нуклеотидных пар отличающихся, если принять различные расы. Частота одиночных замен порядка 1%. Очень важный показатель – это дивергенция регуляторных областей, она хорошо изучена, это CpG-острова, которые помечают промоторные области, вот тут вот дивергенция оказывается значительно выше, чем по всему геному, здесь вы видите до 20 и больше замен против однозначных цифр по остальному геному. Интересным оказывается то, что при таком уровне различий около третьей части белков оказываются одинаковыми, замены заменами, но значительная часть этих замен оказывается молчащими, поскольку они попадают на третье основание в кодоне и соответственно это не влияет на АК-последовательность, т.е треть идентичная, а в среднем около двух АК-замен произвольно взятые белки будут, не факт что эти АК-замены меняют функцию белков, т.е на уровне белков сходство оказывается гораздо выше и разница вообще на самом деле не просматривается. SINE – элементы оказываются у человека активнее, а о транспозонах никаких осмысленных заключений сделать нельзя. 

Давайте посмотрим  следующее (рис.9.41)

Самое интересное о чём можно говорить при сравнении  геномов человека и шимпанзе, это  собственно говоря, где располагается  разница между нашими геномами и  собственно говоря, что делает человека человеком. Этот анализ на самом деле делать очень, очень сложно. Ну, первая попытка была сделана и результаты приведены на этом слайде. Во-первых сначала ищут ортологию, это делать сложно и понятно что из 25 тыс генов приходится браковать многие и оставлено было 13 тыс приблизительно половина, были приняты за гипотезу что они являются ортологичными. Затем в этих вот парах генов было проверено, на сколько часто происходит АК-замены, т.е мы знаем среднюю частоту АК-замен по геному и из этих 13 тыс были выбраны те из них, которые разошлись по максимуму, т.е если происходит больше замен чем в среднем по геному, то значит есть строгий естественный отбор, мощная селекция на накопление этих замен и такие варианты отбираются и соответственно можно предполагать что именно эти белки обеспечивают то отличие на фенотипическом уровне между шимпанзе и человеком. Т.е таким образом удалось отобрать около 600 белков которые отклонились существенно больше чем должно было быть статистически, но к сожалению за относительно низкой дивергенцией и неточность этих измерений где-то половина этих белков чисто случайно подходила. И когда пытались проанализировать какие собственно говоря белки попадают сюда, каких-то грандиозных выводов сделать нельзя, но по крайней мере однозначно сюда попадают белки которые отвечают за работу иммунной системы, ну вот два основных из них показаны вот здесь, ну это не единственные, а наиболее хорошо изученные, белки которые отвечают за работу иммунной системы и белки которые отвечают за репродукцию, т.е фактически получается что репродуктивное поведение поменялось, устойчивость к каким-то заболеваниям и возбудителям этих заболеваний, ну ничего такого что бы повлияло на работу мозга допустим или на прямохождение выявить не удалось. Ну понятно что анализ достаточно грубый и врядли можно было что-то ожидать. Здесь даже с точки зрения такого анализа получается что такой серьёзной разници между шимпанзе и человеком нет.

А вот ещё  один интересный слайд, который заостряет  внимание на одном аспекте сходства и различий человека и шимпанзе (рис. 9.42)

Вот здесь вот  показано различие между  отдельными хромосомами человека и шимпанзе, ну вот у шимпанзе эти 2 хромосомы  слились, поэтому они здесь парой  идут. Ну, если посмотреть по аутосомам, то стандартное различие получается чуть более процента, совсем другая картина если посмотеть на половые хромосомы, с одной стороны получается что Х-хромосома человека гораздо ближе к Х-хромосоме шимпанзе чем любая из аутосом, с другой стороны У-хромосома гораздо дальше оказывается, из чего можно сделать один очень простой вывод: если брать самцов, то это очень далёкие организмы, а если самок, то вот это вот разхождение то оно находится на грани внутрипопуляционного полиморфизма. Почему так получается: аутосому просто одинаковые у самцов и самок, а на уровне половых хромосом, У-хромосома служит своеобразным палигоном на котором эволюция может отрабатывать какие-то новые варианты генов, ведь то что туда попадает над эти можно издеватся по полной программе, ведь если самец погибнет то это небольшая потеря для популяции, а самка которая оставляет потомство она защищена, ведь полиморфизм минимальный и это в целом выгодно для популяции. Ну, в частности самцы приматов и мы мужчины жертвуем своим генетическим материалом вознося его на алтарь эволюции, подставляем себя под жёсткий пресс естественного отбора и двигаем человечество вперёд.