Количество генов в геноме человека

Геном человека — это совокупность наследственного материала, заключённого в клетке человека и содержащая около 3,1 миллиарда пар оснований ДНК. Точное количество генов в этом геноме долгое время оставалось предметом научных дискуссий и пересматривалось по мере совершенствования методов секвенирования и биоинформатического анализа.

Оценки количества генов

Современная наука оценивает число белок-кодирующих генов в геноме человека примерно в 19 000–20 000. Эта цифра значительно ниже ранних прогнозов, которые делались до завершения проекта «Геном человека». В конце XX века оценки варьировались от 50 000 до 100 000 генов, однако после получения полной последовательности генома в 2003 году выяснилось, что реальное число значительно меньше.

Белок-кодирующие гены

По данным консорциума GENCODE и проекта Ensembl, в геноме человека содержится около 19 900 белок-кодирующих генов. Из них примерно 19 000 кодируют белки, которые были подтверждены экспериментально, а остальные существуют в виде предсказанных моделей. Для сравнения: у круглого червя Caenorhabditis elegans таких генов около 20 000, у плодовой мушки Drosophila melanogaster — около 14 000. Таким образом, сложность организма не определяется напрямую числом генов.

Гены некодирующих РНК

Помимо белок-кодирующих генов, в геноме присутствуют гены, которые транскрибируются в функциональные молекулы РНК, но не транслируются в белок. К ним относятся гены рибосомной РНК (рРНК), транспортной РНК (тРНК), малых ядрышковых РНК, микроРНК и длинных некодирующих РНК. По разным оценкам, таких генов насчитывается от 10 000 до 25 000. В совокупности общее число всех генов (включая некодирующие) может достигать 40 000–50 000, однако в научной литературе под термином «ген» чаще всего подразумевают именно белок-кодирующие последовательности.

История изучения

Ранние оценки

Первые попытки оценить число генов человека предпринимались ещё в 1960-х годах на основе кинетики гибридизации ДНК. Тогда оценки колебались от 100 000 до 2 000 000, что было связано с несовершенством методик.

Проект «Геном человека»

Международный проект «Геном человека» (1990–2003) стал поворотным моментом. Первоначально предполагалось, что в геноме около 35 000 генов, но к моменту публикации черновой версии в 2001 году оценки снизились до 30 000. Окончательная версия, опубликованная в 2004 году, показала, что белок-кодирующих генов около 20 000–25 000.

Современные данные

С развитием технологий секвенирования нового поколения и улучшением алгоритмов предсказания генов оценка стабилизировалась на уровне 19 000–20 000. Важным уточнением стало обнаружение большого числа альтернативных вариантов сплайсинга: один ген может кодировать несколько различных белков. Это объясняет, почему относительно небольшое число генов обеспечивает огромное разнообразие белков в человеческом организме — по оценкам, более 100 000 различных белковых изоформ.

Структура генома человека

Кодирующая и некодирующая ДНК

Белок-кодирующие гены занимают лишь около 1,5 % всего генома. Остальная часть ДНК долгое время считалась «мусорной», однако исследования показали, что значительная её доля выполняет регуляторные функции. Проект ENCODE (Encyclopedia of DNA Elements), завершённый в 2012 году, показал, что около 80 % генома человека обладает биохимической активностью, хотя лишь часть из этого связана с транскрипцией.

Экзоны и интроны

Гены человека имеют сложную мозаичную структуру: кодирующие участки (экзоны) перемежаются с некодирующими (интронами). Средний ген человека содержит около 9 экзонов, а интроны занимают значительно большую часть гена, чем экзоны. Например, ген дистрофина (DMD), мутации в котором вызывают мышечную дистрофию Дюшенна, является самым длинным геном человека и содержит 79 экзонов, растянутых на 2,2 миллиона пар оснований, при этом кодирующая часть составляет лишь около 0,6 %.

Генетические вариации

Количество генов может незначительно различаться между отдельными людьми из-за вариаций числа копий (CNV) и структурных перестроек. Некоторые гены присутствуют в геноме в нескольких копиях, и число копий может варьировать. Например, гены амилазы (AMY1) у разных людей присутствуют в 2–15 копиях, что влияет на способность переваривать крахмал.

Сравнение с другими организмами

Число генов человека сопоставимо с таковым у многих других позвоночных и даже беспозвоночных. У мыши около 21 000 генов, у шимпанзе — около 20 000, у риса — около 40 000. Это указывает на то, что эволюционная сложность достигается не столько увеличением числа генов, сколько усложнением регуляторных сетей и увеличением разнообразия альтернативного сплайсинга.

Практическое значение

Знание точного числа генов важно для медицинской генетики: при интерпретации данных секвенирования экзома или полного генома необходимо отличать реальные гены от псевдогенов и некодирующих элементов. Ошибки в аннотации генов могут приводить к ложным клиническим заключениям. Кроме того, понимание структуры генома лежит в основе терапии наследственных заболеваний, включая генотерапию.

Источники

• Международный консорциум по секвенированию генома человека. «Finishing the euchromatic sequence of the human genome», Nature, 2004.
• Проект GENCODE, данные аннотации генома человека.
• Проект ENCODE, публикации в Nature, 2012.
• Учебник «Молекулярная биология гена» Дж. Уотсона и соавторов.
• База данных Ensembl, статистика по геному Homo sapiens.