Zmogaus genai
4 (80%) 2 votes

Zmogaus genai

ŽMOGAUS GENAS

Pagrindinė genetikos sąvoka yra genas. Nors klasikinės — pagrįstos Mendelio dėsniais — genetikos požiūriu genas yra nedalomas paveldimumo vienetas, jis — ne abstraktus taškas. Visų gyvų Žemės organizmų genetinio aparato struktūra ir veikimo principai yra bendri (skirtumai, kurių esama tarp aukštesniųjų ir žemesniųjų organizmų, yra nereikšmingi, kiek labiau, bet ne iŠ esmės, nuo pirmųjų ir antrųjų skiriasi virusai). Todėl pradėdami kalbėti apie konkrečius žmogaus genus ir jų ypatumus, apžvelkime bendriausius geno struktūros ir funkcionavimo aspektus.

Materialus geno pagrindas yra dezoksiribonukleino rūgšties (DNR) molekulė. Tai genetinės informacijos apie organizmą saugykla. Nors nukleino rūgštys buvo atrastos 1869 m., dar ilgai nebuvo žinoma jų struktūra, funkcijos ir veikimo principai. 1953 m. J. Watsonas ir F. Crickas pasiūlė DNR molekulės struktūros ir replikacijos (dvigubėjimo) modelį (2.1 pav., A).DNR molekulė yra polimeras, kurio monomerai yra nukleotidai. Nukleotidą sudaro azoto bazė [adeninas (A), guaninas (G), timinas (T), citozinas (C)],.cukrus (pehtozė), dezoksiribozė ir fosfatas. Grandinės karkasą sudaro dezoksiribozė ir fosfatas, o azoto bazės yra „atsakingos“ už antrine — dvispiralinę — DNR molekulės struktūrą, kurią palaiko vandenilinės jungtys tarp viena priešais kitą esančių priešingų grandinių bazių (tiesa, ne vien jos). Šių jungčių dėka tarp bazių atsiranda komplemenfari sąveika: A visada yra prieš T, o

G:—prieš C (2.1 pav., B). Tai ypač svarbus principas, kuriuo pagrįstas tikslus genetinės informacijos pakartojimas dvigubėjant DNR molekulei: kiekviena DNR grandinė yra matrica naujos DNRgrandinės sintezei. Tuo pačiu komplementammo principu sintetinama RNR molekulė. Nukleotidų grandinė yra kryptinga: nukleotide fosfatas jungiasi su dezoksiribozės 3′ anglies atomu, o nukleotidus į grandine jungianti jungtis susidaro tarp vieno nukleotido fosfato ir kito nukleotido dezoksiribozės 5′ anglies atomo. Kadangi svarbiausi procesai — DNR ir RNR sintezė — vyksta 5—»3′ kryptimi (naujas nukleotidas jungiasi prie nukleotidų grandinės 5′ galo), ši kryptis ir laikoma nukleotidų grandinės kryptimi. Kaip matyti iš 2. l pav., A, nukleotidų grandinės DNR molekulėje yra priešingos krypties (antilygiagrečios).

Kitos svarbios nukleino rūgšties RNR (ribonukleino rūgšties) sudėtis ir struktūra panaši į DNR. Svarbiausi DNR ir RNR skirtumai: 1) RNR molekulėje vietoj dezoksiribozės yra ribozė, o vietoj timino (T) — uracilas (U); 2) RNR molekulės paprastai esti viengrandės (nors gali turėti dvigrandžių fragmentų, atsiradusių susilanksčius RNR molekulei); 3) RNR molekulės daug trumpesnės už DNR molekules; 4) ląstelėje yra dvejopų DNR molekulių — chromosomų DNR ir mitochondrijų DNR, o RNR molekulių rūšių yra daugiau; svarbiausios iš jų — informacinė RNR (iRNR), transportinės RNR (tRNR) ir ribosominės RNR (rRNR). Tačiau esminis DNR ir RNR skirtumas —jų funkcijos. DNR molekulei tenka tik viena funkcija — genetinės informacijos saugojimas ir perdavimas dukterinėms ląstelėms ir organizmų palikuonims, o RNR molekulės atlieka įvairias funkcijas: jos perneša aminorūgštis, yra polipeptido sintezės matricos, ribosomų ir chromosomų komponentai.

Pagrindinis fizinis DNR molekulės matas — bazių pora (bp). Kartu vartojami ir išvestiniai dydžiai: kilobazė (l kb = 1000 bp) ir megabazė (l Mb = 1000 kb = 106 bp).

Įsidėmėtina, kad kalbant apie DNR ar RNR dažniausiai turima galvoje ne pati azoto bazė, o visas nukleotidas. Pavyzdžiui, A — tai ne tik adenino molekulė, bet ir visas nukleotidas (adenozid-51 fosfatas), kurio dalis ji yra (tą patį reiškia ir G, C, T ir U), o frazė „100 bp DNR fragmentas“ reiškia „dvigrandės DNR molekulės fragmentas, kurio kiekvienos komplementarios grandinės ilgis yra 100 dezoksiribonukleotidų

Apie 1960 m. buvo iššifruotas genetinis kodas ir nustatyta, kaip DNR molekulėje užkoduota genetinė informacija nulemia baltymo struktūrą. Trys nukleotidai (tripletas) koduoja vieną aminorūgštį (2.2 pav.). Toks tripletas vadinamas kodonu. Galimi 64 keturių nukleotidų deriniai po tris, o polipeptidus sudarančių aminorūgščių tėra 20, todėl genetinis kodas yra išsigimęs: vieną aminorūgštį dažniausiai koduoja daugiau nei vienas tripletas. Keli tripletai turi ypatingą reikšmę: ATG koduoja ne tik metioniną, bet yra ir polipeptido sintezės pradžios signalas, o TAA, TAG ir TGA— polipeptido sintezės pabaigos signalai (stop kodonai).

Genetinė informacija, užkoduota pirminėje DNR struktūroje (nukleotidų sekoje), perduodama baltymo struktūrai per RNR (2.3 pav.).

Ląstelėje genetinė informacija perduodama viena kryptimi: nuo DNR grandinės sintetinama jai komplementari iRNR molekulė, o ši yra matrica polipeptido sintezei (2.3 pav., A). Reikia pabrėžti, kad genetinė informacija apie aminorūgščių seką polipeptide yra vienoje DNR grandinėje (koduojančioje), o RNR komplementarumo principu sintetinama nuo antrosios — komplementarios koduojančiąja! — DNR grandinės. Taigi tokia RNR atitinka koduojančiąja DNR grandine (tik T pakeičiamas į U), bet nėra jai komplementari; be to, sutampa RNR ir koduojančiosios DNR kryptys.

Genetinės informacijos perdavimas tik viena kryptimi buvo pagrindinė molekulinės
biologijos dogma tol, kol paaiškėjo, kad galima ir priešinga kryptis (2.3 pav., B). Kai kurių virusų genetinė informacija užkoduota ne DNR, o RNR molekulėje. Tokie virusai turi specialų fermentą atvirkštinę transkriptazę. Virusui užkrėtus ląstele, šis fermentas pagal RNR matricą sintetina DNR, kuri įsiterpia į ląstelės chromosomų DNR. RNR turintys virusai sukelia kai kurias žmonių ligas, tarp jų liūdnai pagarsėjusį AIDS. Antra vertus, kai kurie iš jų naudojami kaip vektoriai genų terapijoje (žr. VIII skyrių). Atvirkštinė transkriptazė — labai svarbus žmogaus genų ir paveldimų ligų tyrimo „įrankis“: eksperimento sąlygomis pagal iRNR matricą ji sintetina komplementarią DNR (kDNR), tiksliai atitinka koduojančiąja geno dalį (2.3 pav., B).

RNR molekulių sintezė (nurašymas, transkripcija) ir brendimas iki iRNR vyksta ląstelės branduolyje, o citoplazmoje, dalyvaujant tRNR ir ribosomoms, nukopijuota genetinė informacija iš iRNR perduodama baltymo struktūrai (2.4 pav.).

Baltymas sintetinamas ribosomose, į kurias aminorūgštis atneša specifinės tRNR. Kiekviena tRNR turi specialų nukleotidų tripletą antikodoną, komplementarų iRNR kodonui. Pastarasis kodonas atitinka DNR nukleotidų tripletą, kuris koduoja konkrečią aminorūgštį. Taigi „baltymo sintezės fabrikas“ yra sudėtingas kompleksas, kurį sudaro ribosoma, iRNR molekulė, dvi tRNR molekulės (atnešusioji aminorūgštį ir tRNR, susijungusi su ilgėjančiu polipeptidu) ir dar daug įvairių kitų molekulių. Jame, vykstant tam tikroms reakcijoms, tarp tRNR atneštų aminorūgščių susidaro peptidinės jungtys, ir taip sintetinamas baltymas. Dažniausiai prie kiekvienos iRNR prisijungia kelios ribosomos (t. y., susidaro polisomos) ir taip tuo pat metu pagal vieną iRNR molekule sintetinamos kelios polipeptido molekulės (2.5 pav.).

Toliau aktyviai formuojasi tretinė (erdvinė) baltymo struktūra. Šio proceso metu vyksta įvairios susintetinto polipeptido modifikacijos (2.6 pav.). Neretai baltymas savo funkciją gali atlikti tik sudaręs įvairius kompleksus (ketvirtinę struktūrą) tarp tokių pat baltymų molekulių (kolagenas); tarp skirtingų baltymų molekulių (DNR polimerazė); taip baltymų ir kitų molekulių (nufcleoprotėidai).

Ne visa ląstelėje esanti DNR transkribuojama į RNR, dar mažesnė jos dalis koduoja aminorūgštis. Tam tikros netranskribuojamos ir nekoduojančios nukleotidų sekos yra svarbios transkripcijai, Chromosomų struktūrai ir pan. Dar įsidėmėtina štai kas: nors tik viena dvigrandės DNR molekulės grandinė yra koduojančioji, tai būdinga tik vienam genui. Kito geno koduojančioji grandinė gali būti kita.

Bet kas gi yra genas? Dar ne taip seniai buvo sakoma, jog tai DNR dalis, koduojanti tam tikrą baltymą. Tačiau paaiškėjo, kad genai (pvz., tRNR, ribosominių RNR genai) koduoja ne tik baltymus. Dabar genu

vadinama organizmo genetinę informaciją saugančios nukleino rūgšties molekulės (dažniausiai DNR, nors kai kurių virusų — RNR) dalis, atsakinga už tam tikrą funkciją. Taigi žmogaus genas yra jo ląstelių branduoliuose ir mitochondrijose esančios DNR dalis, koduojanti tam tikrą funkciją.

Genas sudarytas iš kelių labai svarbių dalių (2.7 pav.).

Konkretus žmogaus geno pavyzdys — P globino genas (2.8 pav.).

Koduojančioji daugumos žmogaus genų dalis yra nevientisa (kaip ir kitų aukštesniųjų organizmų): įterptinės nekoduojančios DNR sekos, vadinamos intronais, suskaido ją į fragmentus — egzonus. Kai kurie žmogaus genai (histonų, interferono) intronų neturi. Geno intronų skaičius gali būti įvairus. Pavyzdžiui, koduojančiąja žmogaus distrofino geno dalį sudaro net 79 egzonai. Jų visų ilgis — tik 14 kb, o geno ilgis — apie 2 Mb.

Žmogaus genų 5′ ir 3′ galuose yra daug kitų nekoduojančių sekų (2.7 pav.), dažnai — dar ir geno veikimą reguliuojančių sekų, kurios gali būti geno viduje arba net gana toli už jo (pavyzdžiui, stiprintuvai). Ypač svarbi geno dalis yra jo 5′ gale esantis promotorius (2.7 pav.). Tai 300—400 bp ilgio DNR atkaipa, kurios sekas atpažįsta RNR sintetinantis fermentas RNR polimerazė. Ypač svarbios dvi labai „konservatyvios“ sekos — TATA ir CCAAT. Tik promotoriaus srityje DNR ir RNR polimerazės sąveika yra pakankamai stabili, kad galėtų prasidėti nurašymas (transkripcija), t. y. RNR sintezė pagal vieną DNR grandine.

Promotorius — geno transkripcijos pradžios taškas. Nuo jo nukleotidų sekų priklauso geno transkripcijos intensyvumas. Šio proceso intensyvumas, o dažnai ir specifiškumas audiniui labai priklauso ir nuo greta promotoriaus esančių reguliacinių DNR sekų, su kuriomis sąveikauja specifiniai baltymai, padedantys ar trukdantys RNR polimerazės veikimui.

Nors kiekviena organizmo ląstelė turi po visą organizmo genų rinkinį (apie išimtis žr. III skyriuje), joje intensyviai veikia tik dalis genų. Kai kurie genai veikia visose ląstelėse, tačiau dauguma jų yra aktyvūs tik tam tikrame audinyje ir dažniausiai — tik tam tikru organizmo vystymosi periodu. Šį jų specifiškumą lemia specifiškumo audiniui sekos, esančios prieš konkrečius genus ir sąveikaujančios su audimui specifinių baltymų reguliatorių molekulėmis.

Svarbu žinoti, kad geno transkripcijos metu sintetinama pre-iRNR, turinti visas koduojančias ir nekoduojančias geno sekas. Tokia RNR veiklia iRNR
to, kai prie 5′ galo prijungiama vadinamoji kepurė, prie 3′ galo — poliadenino (poli A) seka, iškerpami intronai ir sujungiami egzonai (sukirpimas, arba splaisingas) (2.9 pav.).

Apie sukirpimą (splaisingą) reikėtų pakalbėti plačiau, nes tai svarbus ir labai tikslus procesas. Intronų iškirpimo vietos neatsitiktinės: introno pradžią žymi nukleotidai GT, o pabaigą — nukleotidai AG (2. l O pav.). Sukirpimo fermentai juos atpažįsta ir tiksliai iškerpa introną bei sujungia egzonų galus. Nuo kai kurių genų nurašyta (transkribuota) RNR turi alternatyvaus sukirpimo vietas, dėl to gali susidaryti skirtingos iRNR molekulės, taigi bus susintetinti skirtingi polipeptidai.

Pirminė DNR nukleotidų seka yra nelabai stabili: ląstelėje dėl įvairių priežasčių nuolat vyksta jos pokyčiai. Nepageidautini pokyčiai ypač dažni replikacijos metu, kai į naują DNR grandinę atsitiktinai įsiterpia ne tas nukleotidas. Daugumą tokių pokyčių neutralizuoja specialus apsauginis mechanizmas reparacija, tačiau dalis jų lieka ir pakeičia geno struktūrą bei funkciją —- įvyksta geno mutacija. Kadangi genas — ne taškas, o gana ilgas DNR fragmentas, mutacija gali įvykti įvairiose jo vietose. Nuo mutacijos vietos ir pobūdžio (nukleotido pakaita, insercija, delecija, duplikacija, inversija ir kt.) priklauso jos padariniai, t. y. kaip ši mutacija paveiks organizmą. Pavyzdžiui, taškinės koduojančiosios geno dalies mutacijos (nukleotido pakaita, vieno ar kelių nukleotidų iškritimas ar įsiterpimas) gali geno koduojamame baltyme vienas aminorūgštis pakeisti kitomis (pakinta baltymo struktūra ir funkcija), aminorūgštį

koduojantį tripletą paversti stop kodonu (sintetinami sutrumpėję baltymai), paslinkti kodo skaitymo rėmelį (nuo mutacijos vietos į polipeptidą įsijungia kitos aminorūgštys) (2.11 pav.).

Ne mažiau reikšmingos nekoduojančių geno dalių ir reguliavimo sričių mutacijos: dėl jų gali suirti promotoriaus seka (o tada nebegalėtų vykti iRNR sintezė), pakisti introno iškirpimo vieta (tokiu atveju negalėtų subręsti normali iRNR), geno poveikis audiniui, sutrikti geno veikimo reguliavimas ir pan.

Bėjau minėtos reparacijos, organizmą nuo mutacijų padarinių saugo ir kitos sistemos: ląstelės lygyje — proteolizinė sistema, atpažįstant! ir suardanti nenormalios struktūros baltymus, organizmo lygyje — imuninė sistema.

Daugelio paveldimų žmogaus ligų priežastis yra genų, koduojančių organizmui svarbius baltymus, mutacijos. Tiriant genų mutacijų ir žmogaus ligų ryšį, susiformavo nauja medicinos mokslo šaka — molekulinė patologija. Dabar geno struktūros analizė plačiai taikoma diagnozuojant įvairias ligas.

ŽMOGAUS GENOMAS

Genomas yra haploidinio (viengubo) genų rinkinio visuma, būdinga biologinių organizmų rūšiai. Žmogaus genomas — tai visas viengubas genetinės informacijos rinkinys, esantis kiekvienoje žmogaus ląstelėje.

Yra kelios išimtys: 1) eritrocitai neturi branduolių, taigi neturi ir chromosomų DNR; 2) kai kurios ląstelės (pvz., raumenų) gali turėti po kelis branduolius; 3) antikū-nius (specifinius imunoglobulinus) gaminančių ląstelių imunoglobulinų grandines koduojantys genai persitvarko, taigi tokių ląstelių genų rinkinys skiriasi nuo visų kitų organizmo ląstelių; 4) mejozės metu vyksta krosingoveris, dėl to lytinės ląstelės — tai jau kokybiškai skirtingi genų rinkiniai (žr. VI skyrių).

Dar vienas labai svarbus klausimas. Kaip žinome, visos žmogaus organizmo ląstelės, išskyrus ką tik minėtas, turi tą patj genų rinkinį. Tad kodėl tokia skirtinga įvairių audinių forma ir funkcijos, kaip susidaro tokia ląstelių įvairovė, žmogaus organizmui vystantis iš vienintelės ląstelės — zigotos (žr. IV skyrių)? Zigota yra totipotencinė ląstelė (lotyniškai totus — visas, potentia — jėga): jai „atviri visi keliai“, t. y. bet kurio tipo ląstelės yra jos palikuonys. Tačiau jau po pirmųjų dalijimusi po apvaisinimo prasideda ląstelių diferenciacijos procesas: dėl tam tikrų genetiškai užprogramuotų priežasčių dvi dukterinės ląstelės „pasuka skirtingais keliais“, ima skirtis jose veikiančių genų rinkimai. Toliau vykstant diferenciacijai, tie keliai vis labiau šakojasi, „kelio pasirinkimas“ (ląstelių galimų tipų įvairovė) kiekvienoje šakoje vis siaurėja. Paskutiniame diferenciacijos etape ląstelės tampa labai specializuotos. Viena pirmųjų tokių atšakų, atsiskyrusių jau gemalo vystymosi pradžioje, yra lytinių ląstelių pirmtakai gonocitai. Antra vertus, kuo labiau ląstelė diferencijuota (t. y. specializuota), tuo rečiau ji dalijasi; galutiniame diferenciacijos etape daugelis ląstelių visai praranda gebėjimą dalytis.

Ląstelių diferenciacija vyksta ne tik embriogenezės metu, bet ir jau susiformavusiame organizme. Daugelyje audinių, kurių ląstelės turi ypač dažnai atsinaujinti (kaulų čiulpuose, lytinėse liaukose, epidermyje ir-kt), yra specialių galutinio diferenciacijos etapo nepasiekusių kamieninių ląstelių. Joms mitoziškai dalijantis, viena dukterinė ląstelė lieka kamieninė, o antroji diferencijuojasi toliau ir tampa specializuota ląstele. 3.1 pav. pateikta kraujodaros schema rodo, kaip iš kamieninių ląstelių susidaro kraujo ląstelių įvairovė.

Kalbant apie paveldimumą, dažniausiai turimas galvoje tik su branduolio DNR susijęs
paveldimumas, pamirštama, kad žmogaus genomą iš tikrųjų sudaro du skirtingi genomai: ląstelės branduolio DNR ir mitochondrijų DNR (mtDNR) koduojama genetinė informacija.

Palyginkime branduolio ir mitochondrijų genomus (3.1 lentelė).

Akivaizdu, kad branduolio ir mitochondrijos genomai gerokai skiriasi, jau nekalbant apie genetinio kodo ir kitus skirtumus (juos aptarsime vėliau).

Siame skyriuje analizuosime ląstelės branduolio genomo sandarą, o vėliau (4.2.4 skyriuje) — mtDNR sandarą ir jos lemiamas paveldimas žmogaus savybes.

Žmogaus ląstelės branduolio genai linijiškai išsidėstę 23 chromosomose (haploidiniame rinkinyje). Chromosomos skiriasi ir forma, ir dydžiu (žr. VI sk., 6.4 pav. ir 6.5 pav.), taigi akivaizdu, kad skiriasi ir jose esančios DNR kiekis (žr. 3.2 lentelę).

Kaip jau pastebėjote, 3.1 lentelėje pateiktas tik apytikslis žmogaus ląstelės branduolio genų skaičius. Žmogaus genų skaičių mėginta nustatyti keturiais metodais (3.3 lentelė).

Visais šiais metodais gauti skirtingi skaičiai, todėl ir nurodoma, kad žmogaus genų apytikriai yra 65 000—80 000. Vidutinis geno ilgis — 10—15 kb. Jeigu genai nepersidengtų (iš tikrųjų yra ne visai taip), tai jie sudarytų tik 25—35 % viso branduolio DNR. Kadangi dauguma branduolio genų koduoja baltymus (polipeptidus), o vidutinio ilgio polipeptidui koduoti reikia apie 1,5 kb DNR, tai tik 3 % ląstelės branduolio genomo (80—100 Mb iš 3000 Mb) koduoja tam tikrą ląstelės ir organizmo funkciją. Mažiausieji žmogaus genai yra kelių šimtų bp ilgio, o didžiausieji — daugiau kaip milijono (pvz., distrofine genas yra ‘ apytikriai 2,3 milijonų bp ilgio).

Kaip pavyzdį išnagrinėkime žmogaus hemoglobino geną. Hemoglobiną — deguonį pernešant} baltymą — sudaro neorganinis hemas (nebaltyminė hemoglobino dalis) ir keturių polipeptidų (dviejų a globino ir dviejų p globino grandinių) tetrameras. Genai, koduojantys šiuos polipeptidus, yra skirtingose chromosomose: a globino — 16-oje chromosomoje; P globino — 11-oje chromosomoje (3.2 pav.). a globino geno ilgis — maždaug 800 bp, o p globino 2,0 genas — bent du kartus ilgesnis. Tačiau jų koduojami baltymai yra panašaus ilgio: a glebinas — 141 aminorūgšties liekana, o p glebinas — 146 aminorūgščių liekanos. Toks genų ilgio skirtumas susidaro, j juos įsiterpus nekoduojančioms intronų sekoms (žr. II skyrių).

Žmogaus oc ir P globino genai sudaro sankaupas su kitais panašios funkcijos genais (3.3 pav.).

a globino genas sudaro sankaupą su £ globino ir 81 genais bei pseudogenais* |f^ ir |/al. Šalia p globino geno išsidėstė kiti keturi globino genai: E, Gy, Ay ir 6. Jie taip pat koduoja hemoglobino baltymus, tik sintetinamus skirtingais organizmo vystymosi periodais. Pavyzdžiui, hemoglobinas F būdingas vaisiui ir jame aptinkamas tik iki gimimo. Jo baltyminę dalį koduoja du a globino genai (ai ir a 2) ir du j globino genai (Gy ir Ay) (3.3 pav.). Abu a globino genai koduoja identiškus baltymus, o y globino genų koduojami baltymai skiriasi viena aminorūgštimi 136 pozicijoje.

Šiuo metu Jūs matote 30% šio straipsnio.
Matomi 2810 žodžiai iš 9356 žodžių.
Peržiūrėkite iki 100 straipsnių per 24 val. Pasirinkite apmokėjimo būdą:
El. bankininkyste - 1,45 Eur.
Įveskite savo el. paštą (juo išsiųsime atrakinimo kodą) ir spauskite Tęsti.
SMS žinute - 2,90 Eur.
Siųskite sms numeriu 1337 su tekstu INFO MEDIA ir įveskite gautą atrakinimo kodą.
Turite atrakinimo kodą?
Po mokėjimo iškart gausite atrakinimo kodą, kurį įveskite į laukelį žemiau:
Kodas suteikia galimybę atrakinti iki 100 straispnių svetainėje ir galioja 24 val.