Геномы эукариотических организмов

Определение "Геномы эукариотических организмов" в ЭБНБ

Первым геномом эукариотического организма, полная последовательность которого определена, стал геном дрожжей Saccharomyces cerevisiae [Goffeau et al., 1996]. Это явилось результатом усилий огромного числа ученых и лаборантов, работающих в лабораториях и крупных исследовательских центрах стран Западной Европы, а также в США и Японии. При этом следует отметить, что это был первый, стартовавший еще в 1989 г., проект по секвенированию полного генома свободноживущего организма, опередивший в этом отношении многие другие аналогичные проекты [Thomas, 1996]. В результате выполнения этого проекта было определено 12 млн 68 тпн, хотя весь полный геном дрожжей Saccharomyces cerevisiae, сосредоточенный по 16 хромосомам, оценивается в 13 389 тпн. Таким образом, более 1 мпн, приходящихся на повторяющиеся элементы в нескольких хромосомах и, главным образом, на повторы рДНК, расположенные в виде отдельного кластера на XII хромосоме, остались не секвенированными. Однако это не служит каким-то препятствием для дальнейшего анализа устройства и функционирования всего генома дрожжей и даже позволяет считать, что в результате выполнения этого проекта стала известна все-таки практически полная его последовательность. Более того, оказалось возможным определить число всех этих не секвенированных повторов. Так, например, было подсчитано, что кластер генов рРНК состоит приблизительно из 140 повторов и локализован на XII хромосоме. Гены малых ядерных РНК, напротив, разбросаны по многим хромосомам. Аналогичное распределение по разным хромосомам характерно и для 275 генов тРНК, относящихся к 43 семействам. К другим особенностям организации хромосом дрожжей можно отнести участки размером по 31 тпн, расположенные по краям самой малой хромосомы I и практически не содержащие генных последовательностей. Для многих хромосом характерно наличие протяженных или GC-богатых, или, наоборот, GC-обедненных участков, коррелирующих в некоторой степени с распределением генных последовательностей.

Проведенный анализ нуклеотидной последовательности дрожжей Saccharomyces cerevisiae позволил выявить 6275 открытых рамок считывания, но, как считают авторы цитируемой работы, не похоже, что 390 из них действительно транслируются в какие-либо белки. Таким образом, число открытых рамок считывания для генома дрожжей принято равным 5885. Относительно небольшой размер генома дрожжей Saccharomyces cerevisiae в некоторой степени можно объяснить как малым размером самих интронов, так и их незначительным числом, поскольку интроны содержат только около 4% генов. Следует отметить, что больший размер генома (около 15 мпн) других дрожжей Schizosaccharomyces pombe, секвенирование которого также осуществляется в рамках специального проекта, обусловлен в значительной степени наличием протяженных интронов в 40% генов этого организма. Для 50% предполагаемых белковых продуктов из всего "протеома" были выявлены их принадлежности к той или иной функциональной группе белков. (Использованный авторами цитируемой работы термин "протеом", имеющий определенную аналогию с "геномом", и обозначающий всю совокупность продуцируемых организмом белков, достаточно емок и лаконичен). Так, 11% белков протеома дрожжей отвечают за метаболизм клетки, 3% - за репликацию, репарацию и рекомбинацию ДНК, 7% и 6% - за транскрипцию и трансляцию соответственно. Как подчеркивают авторы, необходимы дальнейшие усилия по выяснению точной роли белковых продуктов с привлечением в том числе методов биохимии и генетики. Уже стартовали проекты, посвященные функциональному анализу дрожжевого генома.

Из других проектов по секвенированию эукариотических геномов необходимо отметить завершающееся в декабре 1998 г. секвенирование 100-мегабазного генома нематоды Caenorhabditis elegans. Секвенирование генома другого организма, ожидаемого не меньше Е. coli, плодовой мушки Drosophila melanogaster с ее геномом, равным приблизительно 130 мпн, находится сейчас на начальных стадиях и его ориентировочное завершение предполагается, исходя из реалий сегодняшнего дня, в 2002 г. Фронтальное секвенирование генома мыши (с предположительным завершением к 2005 г.) еще не начато и идет лишь подготовительная работа. Уже выполняются проекты по секвенированию геномов довольно просто устроенных организмов: Candida albicans, Dictyostelium discoideum, Giardia lamblia, Plasmodium falciparum, Trypanosoma rhodesiense и некоторых других. Кроме этого, проводится секвенирование генома рыб, собаки и некоторых других представителей царства животных.

Среди объектов растительного царства ведется секвенирование двух модельных растений из класса однодольных и двудольных - риса (Oryza sativa) и резуховидки Таля, или арабидопсиса, (Arabidopsis thaliana) соответственно, а также некоторых других растений. Выбор этих модельных растений (рис и арабидопсис) связан, главным образом, с относительно малыми размерами их геномов [Gale, Devos, 1998]. Так, недавно было сообщено о секвенировании двух протяженных участков хромосомы 5 (1,6 мпн) и хромосомы 4 (1,9 мпн) арабидопсиса Arabidopsis thaliana [Sato et al., 1997; Bevan et al., 1998]. По состоянию на конец октября 1998 г. в общей сложности секвенировано и сопровождено аннотацией около 30 мпн арабидопсисного генома [Meinke et al., 1998]. Вообще, предполагается, что геном арабидопсиса содержит около 120 мпн, кодирующих приблизительно 20000 генов, распределенных по 5 хромосомам. В выполнении данного проекта принимают участие 25 исследовательских групп (17 из Европы, 7 - из США и 1 - из Японии). Его завершение запланировано на конец 2000 г. [Menike et al., 1998]. Геном риса значительно крупнее и составляет около 430 мпн, однако, учитывая важность этого злака для человечества, предполагается, что усилиями исследовательских групп из Европы, Китая, Японии, Южной Кореи, США и других стран его секвенирование будет завершено к 2005 г. При этом следует отметить, что геном риса уже картирован с высоким разрешением [Hong et al., 1997; Kurata et al., 1997].

В литературе появилось сообщение о принятом решении объединить усилия ученых нескольких институтов из Канады, Австралии и Германии для секвенирования мельчайших эукариотических геномов (380 тпн и 600 тпн), каковыми являются нуклеоморфы из двух групп водорослей [McFadden et al., 1997]. Нуклеоморфы представляют собой остатки ядер прежних свободноживущих эукариотических водорослей, поглощенные другими водорослями и существующие как бы полуавтономно. В то же время они сохранили все основные черты организации генетического материала, присущие эукариотам, и определение полных нуклеотидных последовательностей этих двух геномов может оказать значительную пользу при выявлении функциональной роли протеома более высокоорганизованных эукариот из царства растений.