Микрочипы могут быть использованы для исследования экспрессии, связанной с возникновением или прогрессией заболевания (например, опухолевого или инфекционного), поскольку каждая болезнь, вероятно, характеризуется специфичными изменениями наборов экспрессируемых генов по сравнению нормальным состоянием.

Провели такой опыт. Взяли образцы РНК из опухолей у двух групп больных. В одной группе метастазы были, а в другой — нет. Метастазы — это возникновение новых очагов опухоли в организме, пространственно отделенных от исходного очага. На данном чипе довольно резко проходит граница между группами зеленых и красных площадок. То есть, видны гены, изменение уровня экспрессии которых характерно для стадии метастазирования опухоли, что можно использовать для диагностики этой стадии. Пока этот метод диагностики недоработан. Предполагается, что в будущем по штрих-коду изменения экспрессии в определенном наборе генов можно будет диагностировать конкретные заболевания и стадии их развития, а, следовательно, и знать, как лечить.

Сделаем небольшое отступление. На прошлых лекциях было рассказано про генетические карты. Такие карты были построены для многих видов. На видах с подробными генетическими картами проводится экспериментальный поиск мутаций связанных с регистрируемыми морфологическими изменениями. На слайде показана схема такой работы на рыбах. Вначале проводят мутагенез. После этого получают гибриды первого поколения. Их используют для возвратных скрещиваний с мутагенизированными родителями. Если оказывается, что какой-то признак выявляется, то смотрят, с какими генетическими маркерами он сонаследуется. Таким образом исследуется, какие гены повреждены мутациями, выявляемыми фенотипически.

Гены (мутации), определяющие морфологические или биохимические признаки, могут быть идентифицированы после общегеномного мутагенеза (например, EMS) и генетического скрининга. Для этого проводят анализ сонаследования исследуемого аллеля с полиморфными маркерами ДНК, перекрывающими весь геном в известной последовательности, и расстояние между которыми достаточно мало, чтобы отнести исследуемый аллель к одному из интервалов генетической карты.

Обобщая вышесказанное, гены (мутации), определяющие морфологические или биохимические признаки, могут быть идентифицированы после общегеномного мутагенеза (например, EMS) и генетического скрининга. Для этого проводят анализ сонаследования исследуемого аллеля с полиморфными маркерами ДНК, перекрывающими весь геном в известной последовательности, и расстояние между которыми достаточно мало, чтобы отнести исследуемый аллель к одному из интервалов генетической карты.

На этом слайде показано, что существуют бактерии, у которых количество генов может быть больше, чем например у дрожжей. Мы привыкли считать, что бактерии устроены проще, но это не всегда так. Существуют бактерии, у которых генов порядка 10 тысяч.

Даже для прекрасно изученного организма — кишечной палочки, не понятны функции около трети из 4289 ее генов. Известна и последовательность нуклеотидов в этих генах, и как они транскрибируются и т. д., но все равно не известно, какую функцию они выполняют.

На этом слайде хотелось бы обратить ваше внимание на то, что хотя число генов разнится у разных видов, но число так называемых белковых доменов (структурные единицы в белке, отвечающие за единичную функцию) отличаются в пределах разных царств живого (прокариоты и эукариоты) до полутора раз, не более. Конечно комбинации этих доменов разные, но сами домены похожи, то есть они кодируются сходными по последовательности нуклеотидов участками генома и эти сходные участки имеют общее происхождение в эволюции.

Обратно заявление будет не верно. Если функции белков сходны, это не означает, что их структура будет одинакова. Одна и та же функция, например, один и тот же каталитический процесс, может выполняться разными, не родственными по происхождению белками. Один и тот же процесс может катализироваться даже и белком и РНК (рибозим), у которых нет ничего общего в происхождении.

На данном слайде показаны средние значения характеристик различных элементов генов человека. Средний размер экзона — 145 нуклеотидов, интрона — 3365 и т. д. В общей сложности получается, что белок-кодирующая часть гена невелика по сравнению с белок-некодирующей частью, поэтому, когда происходят какиенибудь мутации, велика вероятность, что промутирует белок-некодирующая часть. Такие мутации или вообще не скажутся на структуре белка, или приведут к изменению его количества, но не структуры (изменения регуляторных участков инициации транскрипции или стабильности РНК), или приведут к драматическим изменениям структуры РНК (мутации в мишенях для сплайсинга).

Общая структура генома такова. Напомню, что размер генома человека 3200 Mb. Гены занимают всего 1200 Mb. Основная часть этого пространства приходится на псевдогены (нефункциональные гены, инактивированные мутациями), различные фрагменты генов и интроны. А на экзоны функциональных генов (суммарная длина зрелых РНК) приходится 48 Mb. Здесь есть некоторое лукавство, так как на одну пре-мРНК в среднем приходится 1,4 зрелых РНК. А из одной зрелой мРНК в некоторых случаях может получиться до тысячи белков. Межгенная ДНК занимает 2000 Mb, она представлена главным образом короткими рассеянными по всему геному повторяющимися последовательностями, которые занимают 1400 Mb. Один из таких повторов — Alu-повтор, длиной около 300 п.н., повторен в геноме миллион раз. Другой примечательный тип рассеянных повторов — длинные концевые повторы (LTR, long terminal repeat). Эти элементы являются молекулярными свидетельствами перескока фрагмента ДНК внутри генома. Общая протяженность таких участков на молекуле ДНК-250 Mb.

Геном человека: размеры областей занятых элементами известной структуры

Число генов у человека оценено в 20–25 тысяч, (оценка 2001 г. — 35–40 тыс.).

Основная часть генома человека занята не генами: 63–74 % длины — межгенные пространства, половина из них — повторы. Ген человека внутри «пустой»: 95 % внутригенной ДНК вырезается (интроны). Общая длина белок кодирующих областей около 1 % от геномной ДНК человека. Это лишь в 3 раза больше длины генома бактерий.