ний в структуре, локализации и активности молекул мРНК и
белка, которые возникают вследствие генетических мутаций. Мы
уже упоминали об огромном значении культур мутантных клеток
для подобных исследований. Однако, многие патологические
процессы, протекающие в организме больного, не могут быть
исследованы in vitro. С другой стороны, возможности получе-
ния необходимого количества клеток и тканей пациента и испы-
тания in vivo различных схем лечения значительно ограничены.
Поэтому для многих наследственных болезней эффективность
изучения основ патогенеза существенным образом зависит от
наличия адекватных биологических моделей. Способы конструи-
рования таких моделей подробно изложены в Главе YIII.
ГЛАВА II.
ГЕНОМ ЧЕЛОВЕКА, СТРУКТУРА ГЕНОВ.
Раздел 2.1. Определение генома и его основных элемен-
тов.
Термин геном используется для обозначения полной гене-
тической системы клетки, определяющей характер онтогенети-
ческого развития организма и наследственную передачу в ряду
поколений всех его структурных и функциональных признаков.
Понятие генома может быть применено к таксономической груп-
пе, виду, отдельной особи, клетке, микроорганизму или ви-
русу. Так, можно говорить о структуре генома эукариот и про-
кариот, сравнивать геномы разных видов, изучать особенности
строения генома у конкретных индивидуумов или следить за из-
менениями, происходящими в геноме специфических клеток в
процессе их онтогенетической дифференцировки. Часто геном
определяется как генетическая информация, заключенная в мо-
лекулах ДНК одной клетки. Однако, такие факты, как
отсутствие связи между количеством ДНК в расчете на гаплоид-
ный геном и таксономическим статусом видов, а также много-
численные примеры существования огромных различий в содержа-
нии ДНК между близкородственными видами (так называемый
"С-парадокс") свидетельствуют о том, что далеко не все
участки ДНК связаны с информационными функциями. Понятия ге-
нома и ДНК в значительной степени тождественны, так как
основные принципы организации и функционирования генома це-
ликом определяются свойствами ДНК. Присущие этим молекулам
потенциальные возможности практически неограниченного струк-
турного разнообразия определяют все многообразие мира живых
существ, как на уровне межвидовых, так и индивидуальных раз-
личий в пределах одного вида (Баев и др.,1990; Ратнер,1985).
Процесс эволюции и дифференцировки отдельных видов, как
правило, сопровождался накоплением изменений в структуре ге-
нома. Это касается, прежде всего, таких параметров, как ло-
кализация и характер упаковки ДНК в клетках; количество ДНК,
приходящееся на гаплоидный геном; типы, соотношение и функ-
ции кодирующих и некодирующих нуклеотидных последователь-
ностей; регуляция экспрессии генов; межпопуляционная вариа-
бильность и филогенетический консерватизм первичной структу-
ры генома. В пределах одного вида основные параметры генома
достаточно постоянны, а внутривидовое разнообразие обеспечи-
вается за счет мутационной изменчивости, то есть выпадения,
вставки или замены нуклеотидов на сравнительно небольших
участках ДНК. Чаще всего такие изменения касаются не-
экспрессируемых элементов генома (интронов, псевдогенов,
межгенных спэйсерных участков ДНК и т.д.).
Геномы эукариот, по-существу, можно рассматривать как
мультигеномные симбиотческие конструкции, состоящие из обли-
гатных и факультативных элементов (Golubovsky, 1995). Основу
облигатных элементов составляют структурные локусы, коли-
чество и расположение которых в геноме достаточно постоянно.
Присутствие в хромосомах некоторых видов повторяющихся ДНК,
амплифицированных участков, ретровирусных последователь-
ностей, псевдогенов, также как наличие в клетке эписом, рет-
ротранскриптов, ампликонов, дополнительных B-хромосом и раз-
личных цитосимбионтов (вирусов, бактерий, простейших) явля-
ется не строго обязательным, их количество и положение может
значительно варьировать, то есть эти элементы являются фа-
культативными. В то же время участие факультативных элемен-
тов в наследственной передаче признаков, в формировании му-
тационной изменчивости и в эволюционных преобразованиях ви-
дов несомненно доказано. Кроме того, существует непрерывный
переход от одних состояний к другим за счет инсерции
экстрахромосомных ДНК в хромосомы и выстраивания транспозо-
ноподобных мобильных элементов из хромосом. Следовательно,
несмотря на значительные отличия факультативных последова-
тельностей от облигатных по характеру основных информацион-
ных процессов (репликации, транскрипции, трансляции и сегре-
гации), они также должны рассматриваться, как важнейшие эле-
менты генома.
Остановимся теперь более детально на основных принципах
организации генома человека. В каждой диплоидной клетке с 46
хромосомами содержится около 6 пикограмм ДНК, а общая длина
гаплоидного набора из 23 хромосом составляет 3.5 * 10!9 пар
нуклеотидов (Kao, 1985). Этого количества ДНК достаточно для
кодирования нескольких миллионов генов. Однако, по многим
независимым оценкам истиное число структурных генов нахо-
дится в пределах от 50 000 до 100 000. В разделе 2.4 изложе-
ны современные подходы, используемые для подсчета общего ко-
личества генов, из которых следует, что наиболее вероятная
оценка их числа составляет около 80 000. Сопоставляя это
значение со средними размерами гена и соотношением между ве-
личиной их экзонных и интронных областей, можно заклю-
чить,что кодирующие последовательности ДНК занимают не более
10-15% всего генома (McKusick, Ruddle, 1977). Таким образом,
основная часть молекул ДНК не несет информации об амино-
кислотной последовательности белков, составляющих основу лю-
бого живого организма, и не кодирует структуру рибосомаль-
ных, транспортных, ядерных и других типов РНК. Функции этой
"избыточной" (junk) ДНК не ясны, хотя ее структура изучена
достаточно подробно. Предполагается, что эта ДНК может
участвовать в регуляции экспрессии генов и в процессинге
РНК, выполнять структурные функции, повышать точность гомо-
логичного спаривания и рекомбинации, способствовать успешной
репликации ДНК и, возможно, является носителем принципиально
иного генетического кода с неизвестной функцией.
Наиболее общая характеристика генома может быть получена
с помощью анализа кинетики реассоциации молекул ДНК. Динами-
ка плавления геномной ДНК обнаруживает присутствие по край-
ней мере трех различающихся по химической сложности фракций
(Льюин, 1987; Газарян, Тарантул, 1983). Быстро ренатурирую-
щая фракция ДНК состоит из относительно коротких высокопов-
торяющихся последовательностей; в промежуточную фракцию вхо-
дит множество умеренно повторяющихся ДНК - более протяжен-
ных, но представленных меньшим числом копий; медленно рена-
турирующая фракция объединяет в себе уникальные последова-
тельности ДНК, встречающиеся в геноме не более 1-2 раз.
С помощью молекулярного анализа проведена идентификация
основных классов повторяющихся последовательностей ДНК,
составляющих более 35% всего генома человека и включающих
сателлитную ДНК, инвертированные повторы, умеренные и низко-
копийные повторы, а также мини- и микросателлитные последо-
вательности ДНК. Классификация этих типов повторов достаточ-
но условна и основана, главным образом, на двух характе-
ристиках: длине повторяющихся коровых единиц, которая может
варьировать от 1-2 до более, чем 2000 п.о., и числе их ко-
пий, также меняющихся в очень широких пределах - от десятка
до миллиона на гаплоидный геном. Не менее важными характе-
ристиками различных классов повторяющихся ДНК являются нук-
леотидная последовательность "коровых" единиц повтора, спе-
цифичность их организации, хромосомная локализация, внутри-
и межвидовая стабильность, а также возможные функции этих
типов ДНК.
Раздел 2.2. Повторяющиеся последовательности ДНК.
Сателлитная ДНК это класс высокоповторяющихся последо-
вательностей, составляющих около 10% всего генома человека
(Kao, 1985). При центрифугировании геномной ДНК в градиенте
плотности CsCl эти последовательности образуют четыре от-
дельных сателлитных пика с различными средними значениями
плавучей плотности. Методом гибридизации in situ показано
присутствие сателлитной ДНК преимущественно в центромерных,
теломерных и гетерохроматиновых районах большинства хро-
мосом, при этом характер гибридизации сходен для всех четы-
рех групп и не зависит от принадлежности ДНК-зондов к се-
мействам повторов, образующих различные сателлитные пики. В
каждой из этих групп, однако, присутствует небольшое коли-
чество последовательностей, имеющих специфическую хромосом-
ную локализацию. Так например, около 40% длинного плеча Y
хромосомы составляет семейство последовательностей, тандемно
повторяющихся более 3000 раз и не найденных в других хро-
мосомах.
Выделяют три основных типа сателлитной ДНК: (1) короткие
- от 2 до 20 п.о., стабильные тандемные повторы с кратностью
в несколько десятков тысяч раз, которые иногда перемежаются
с неповторяющимися последовательностями; (2) кластеры более
протяженных повторов, слегка различающихся по нуклеотидной
последовательности; (3) сложные, достигающие нескольких со-
тен пар нуклеотидов, повторяющиеся последовательности раз-
личной степени гомологии (Газарян,Тарантул,1983). К послед-