Взаимоотношения геномики человека и геномики

Микроорганизмов

 

Примерно с середины 90-х годов стало ясно, что методическая база генетических исследований достигла такого совершенства и быстродействия, что стал возможным переход к массовой расшифровке строения геномов разных организмов.

К концу 2000 г. стало известно полное строение геномов многих бактерий (более 40 из них уже опубликовано (см. табл. 2), еще больше пока закрыто из коммерческих соображений), одноклеточных эукариотов (дрожжи), многоклеточных организмов (круглый червь нематода, насекомое плодовая мушка дрозофила, растение арабидопсис).

Таблица 2.

 

Характеристика некоторых известных геномов микроорганизмов

 

 

Название возбудителя	Размер генома, млн. п.н.	Число генов	Характеристика
Mycoplasma genitalius	0.580		Возбудитель урогенитального воспаления.
Mycoplasma pneumoniae	0.816		Возбудитель пневмонии.
Ricketsia provazekii	0.112		Возбудитель сыпного тифа.
Treponema pallidum	1.138		Возбудитель сифилиса.
Helicobacter pylori	1.668		Вызывает язву желудка.
Haemophilus influenzae	1.830		Возбудитель менингитов, отитов, ОРЗ и др.
Mycobacterium tuberculosus	4.412		Возбудитель туберкулеза.
Escherichia coli К 12	4.639		Энтеробактерия. Автотроф.
Metanococcus jannaschii	1.660		Анаэроб. Термофил. Метаноген.
Pyrococcus horikoshii	1.739		Анаэроб. Гипертермофил.

 

По сравнению с геномами простых организмов расшифровка строения генома человека представляет гораздо более сложную задачу не только из-за размеров генома (например, геном дрожжей имеет 12 миллионов пар нуклеотидов, а человека – 3,2 миллиарда нуклеотидных пар), а главным образом из-за того, что в геноме человека содержится огромное число повторяющихся элементов, неравномерно распределенных по цепям ДНК и имеющих разное строение. Тем не менее, к началу 2001 года эти исследования были завершены.

По их результатам было выявлено следующее:

во-первых, число генов в геноме человека оказалось равным приблизительно 30-35 тысячам.

Это значительно меньше, чем предполагалось ранее. Для сравнения в геноме мухи дрозофилы найдено 13600 генов, а у круглого червя нематоды – - около 19000 (см табл. 3).

Таблица 3.

 

Сравнение размеров геномов и числа генов у различных

организмов

 

Организмы	Размер генома, млн пар нуклеотидов	Число генов, тыс.	Плотность, млн пар нуклеотидов/ген
Бактерии Дрожжи Нематода Человек	0,5-5	0,47-4,29 80-100	1-1,7 >30

 

Те, приблизительно 32-35 тысяч генов, которые на сегодняшний день идентифицированы, составляют только 5% от объема генома, а 95% приходятся на некодирующие последовательности – повторы разных типов, псевдогены, молекулярные остатки вирусов, перемещающиеся геномные элементы и др. Такого явления нет ни у бактерий, ни у дрожжей. Или геном человека не в состоянии избавляться от "генетического балласта", или наооборот, такой генетический материал дает человеку некие преимущества в эволюции. Пока ответ на этот вопрос не получен. Возможно, что преобладание бессмысленных отрезков ДНК служит пассивной защитой от опасных вирусов, поскольку вероятность попадания разрушающей вирусной информации в смысловую область резко уменьшается.

Во-вторых, весьма неожиданным стало обнаружение в геноме человека большого количества генов, которые заимствованы у бактерий. Более трети всех генов человека имеют очевидные признаки сходства с бактериальными генами, особенно генов для повседневных функций. Эти гены обеспечивают клетку энергией, питательными веществами, поддерживают транспорт веществ. Они очень медленно эволюционируют, обеспечивая стабильность клеток в разных ситуациях. По-видимому, длительный эволюционный контакт человека и бактерий привел к тому, что при некоторых случайных заболеваниях гены бактерий попали в геном человека и там закрепились. Такого рода перенос генов «по горизонтали» хорошо известен между разными видами бактерий, но впервые показана широкая возможность такого переноса между геномами человека и бактерий.

В-третьих, внутри генома человека обнаружено большое количество остатков вирусных генов. При интегративных вирусных инфекциях геном вируса встраивается в геном хозяина и может там оставаться практически навсегда. У человека на долю эндогенных вирусов приходится заметная доля всего генома. Это следы вирусных заболеваний, которые поражали человека в ходе эволюции. Большинство вирусных генов не функционирует, однако при некоторых воздействиях на геном они могут включаться и нарушать работу генома. С другой стороны, от этих участков может быть определенная польза как от возможного генетического материала для дальнейшей эволюции. Новые гены чаще всего появляются на основе древних генов. Главные активаторы этого процесса – фрагменты геномов ретровирусов, получившие название мобильных генов. Они могут разрезать ДНК на мелкие фрагменты и заново сшивать фрагменты в новом порядке.

Пока о роли вирусных генов в геноме человека известно крайне мало, однако интересно то, что в геноме обезьян эндогенных вирусов намного меньше или нет вообще. По чужеродным элементам генома человек от обезьян отличается гораздо сильнее, чем по самим геномам. Отсюда ряд ученых предполагает, что вирусы могли сыграть важную роль в эволюции и становлении человека как биологического вида Homo sapiens.

В целом очевидно, что бактерии и вирусы серьезно влияют не только на конкретный макроорганизм, вызывая инфекционные заболевания, но и на эволюцию человека в целом. Эти взаимоотношения только предстоит выяснить.

Наконец, наиболее важной задачей становится раскрытие путей и методов реализации генотипа в соответствующий ему фенотип. Это является предметом функциональной геномики, а также протеомики (науки о протеомах). Название последнего нового направления в молекулярной биологии образуется от слова «протеин» (белок) и окончания слова «геном», что подчеркивает теснейшую взаимосвязь белка с кодирующим его геномом.

Протеом представляет собой набор белков данной клетки в данной фазе ее развития в данный момент времени. Протеом – понятие динамическое, тогда как геном относительно стабилен и постоянен. Протеомика занимается изучением вариантов фенотипа клеток для максимальной их адаптации к изменяющимся условиям среды. В таких условиях работа генома формируется в ответ на поступаемые в клетку сигналы. Некоторые из фенотипов клетки связаны с болезнью клеток и организма в целом. В ближайшие годы надлежит понять, как с помощью внешних сигналов и программ добиться блокирования болезни, влияя на реализацию клеточного фенотипа. Знание геномной и протеомной структуры патогенных бактерий является весьма важным для диагностики заболеваний, создания рационально сконструированных вакцин и лекарственных препаратов для их профилактики и лечения.

VI. ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ МИКРОБИОЛОГИИ

 

Экология микроорганизмов

Слово «экология» образовано от греческого oikos – что означает дом или жилище, logos – учение. Экология изучает сложные взаимоотношения микроорганизмов между собой и внешней средой, которые обусловливают их размножение, развитие и выживание.

Под экологической системой понимают совместное функционирование различных биоценозов, т.е. биотического сообщества, включающего все популяции, занимающие данную изучаемую площадь и неживую окружающую природу – биотоп.

Основным положением экологической микробиологии является концепция о доминировании микробов в создании биосферы Земли и последующем поддержании ее экологического баланса. Данная концепция базируется на представлении о микробах как исходно единственных живых обитателях Земли, на повсеместном распространении микробов в биосфере, преобладании биомассы микробов над совокупной биомассой растений и животных, способности микробов участвовать в процессах круговорота веществ, поддерживать радиационный баланс. Такая важная роль микробов обеспечивается многочисленными их популяциями, высокими темпами размножения, способностью переходить на длительное время в состояние покоя, разнообразием в физиологических потребностях, небольшими размерами и массой, определяющими возможность их миграции с воздухом и водой.

Задачи экологии, которые решает медицинская микробиология:

1. Углубленное изучение закономерностей воздействия различных факторов окружающей среды на человека, на его нормальную микрофлору.

2. Разработка методов индикации микробного загрязнения окружающей среды, в том числе в условиях сопутствующего химического, биологического, радиоактивного загрязнения.

3. Определение распространения в окружающей среде микробов-продуцентов биологически активных веществ (и продуктов их жизнедеятельности – токсинов) и оценка их роли в патологии человека.

4. Изучение процессов самоочищения окружающей среды.

5. Дальнейшее совершенствование методов борьбы с внутрибольничной инфекцией.

Биоценоз – микробное сообщество, ассоциация – совокупность популяций разных видов микроорганизмов, обитающих в определенном биотопе (например, в полости рта, в кишечнике, водоеме).

Биотоп – место обитания популяции. Для паразитов – это место их локализации в организме хозяина.

Эковар – это вариант какого-либо микроорганизма, приспособленного жить в определенной экосистеме.