Организация и содержание генома

Геномы представляют собой нечто гораздо большее, чем просто последовательности генов: кодирующие белок последовательности часто составляют лишь небольшую часть целого, перемежаясь с повторяющимися элементами, регуляторными областями и обширными некодирующими участками, роль которых все еще изучается.

Definition

Организация и содержание генома — это описание типов последовательностей, которые содержит геном, и того, как они расположены, включая кодирующие гены, повторяющиеся элементы, регуляторные области и большую долю некодирующей ДНК.

Scope

Эта тема охватывает содержание генов и плотность генов в геномах, структуру эукариотических генов с экзонами и интронами, распространенность и типы повторяющейся ДНК, включая транспозируемые элементы и тандемные повторы, некодирующую и регуляторную ДНК, организацию хромосом в эухроматин и гетерохроматин, а также широкое разнообразие размеров геномов у разных организмов. В ней рассматривается, что содержат геномы и как это организовано; как это содержимое секвенируется и как оно функционирует, рассматривается в смежных темах.

Core questions

• Какая часть генома обычно кодирует белки и как варьируется плотность генов?
• Каковы основные классы повторяющейся ДНК и как транспозируемые элементы формируют геномы?
• Почему размеры геномов так сильно различаются без корреляции со сложностью организма?
• Как хроматин организован в транскрипционно активные и неактивные области?

Key concepts

• Содержание генов, плотность генов и экзон-интронная структура
• Повторяющаяся ДНК и транспозируемые элементы
• Некодирующая и регуляторная ДНК
• Эухроматин и гетерохроматин
• Размер генома и парадокс C-величины

Mechanisms

Эукариотические геномы накапливают повторяющиеся последовательности в значительной степени благодаря копирующей активности транспозируемых элементов, в то время как бедные генами области конденсируются в гетерохроматин; результирующая архитектура, с кодирующими белок экзонами, встроенными в интроны и окруженными регуляторной и повторяющейся ДНК, отражает баланс между мутацией, отбором и самораспространением мобильных элементов.

Clinical relevance

Знание организации генома необходимо для интерпретации вариантов: многие изменения, связанные с заболеваниями, приходятся на некодирующие регуляторные области, экспансии тандемных повторов вызывают такие расстройства, как болезнь Гентингтона, а вставки транспозируемых элементов могут нарушать работу генов.

History

Открытие Мак-Клинток транспозируемых элементов у кукурузы показало, что геномы динамичны, парадокс C-величины 1970-х годов продемонстрировал, что размер генома не коррелирует со сложностью, а секвенирование генома человека и других геномов с 2001 года количественно определило, какая часть больших геномов является повторяющейся и некодирующей.

Key figures

• Barbara McClintock
• Susumu Ohno
• Eric Lander

Seminal works

• lander2001
• brown2018

Frequently asked questions

Почему размер генома не предсказывает сложность организма?

Большая часть крупного генома состоит из повторяющейся и некодирующей ДНК, а не из генов, поэтому общий размер отражает накопление таких последовательностей в большей степени, чем количество генов; это несоответствие известно как парадокс C-величины.

Что такое транспозируемые элементы?

Это последовательности ДНК, которые могут перемещаться или копировать себя в новые места в геноме; в ходе эволюции их пролиферация составляет значительную долю многих геномов и может как нарушать, так и перестраивать гены.