ДНК и геном

Каждая цепь ДНК построена из звеньев четырёх типов, которые обозначают по их азотистым основаниям буквами A, C, G и T; в гене, кодирующем белок, порядок этих звеньев задаёт порядок аминокислот 12.

Две антипараллельные цепи образуют правозакрученную двойную спираль; аденин комплементарен тимину, а гуанин — цитозину, поэтому последовательность одной цепи однозначно определяет последовательность другой 13. Из более чем 44 400 генов человека, которым Комитет по номенклатуре генов HUGO присвоил названия, свыше 19 250 кодируют белки 4.

От гена к белку

Клетка копирует ген в РНК, вырезает из этой копии участки, называемые интронами, и считывает оставшуюся последовательность по три основания, соединяя аминокислоты в цепь 672.

РНК-полимераза II удлиняет предшественник мРНК (пре-мРНК), присоединяя к его 3′-концу нуклеотиды, комплементарные матричной цепи ДНК 6. RNGTT переносит остаток ГМФ с ГТФ на 5′-конец пре-мРНК, а RNMT метилирует этот гуанозин по положению N7; донором метильной группы служит S-аденозилметионин 6. Сплайсосома вырезает интроны; из 22 489 пар сайтов сплайсинга в генах млекопитающих, подтверждённых данными EST, 98,71% относились к типу GT–AG 7. Поли(A)-полимераза присоединяет к 3′-концу поли(A)-хвост 6.

Преинициаторный комплекс 43S сканирует мРНК от кэпа до стартового кодона AUG 6. Из 64 кодонов 61 кодирует 20 стандартных аминокислот, а три служат сигналами терминации трансляции 2. eEF1A·ГТФ доставляет в рибосому аминоацил-тРНК, рибосома катализирует образование каждой пептидной связи, а eEF2·ГТФ обеспечивает транслокацию 6.

От гена к белкуЯдро — транскрипция и процессинг мРНК; цитозоль — трансляция
  1. Ген (матричная цепь ДНК)
  2. РНК-полимераза II (каталитическая субъединица POLR2A)АТФ, ЦТФ, ГТФ и УТФ, Mg2+ (два иона)Присоединяет к 3′-концу по одному нуклеотиду, комплементарному матрице
  3. Пре-мРНК
  4. Кэпирующий фермент мРНК (RNGTT), затем метилтрансфераза кэпа (RNMT)ГТФ, S-аденозилметионинВ ходе транскрипции; на 5′-конце образуется 7-метилгуанозиновый кэп
  5. Кэпированная пре-мРНК
  6. Сплайсосома (мяРНП U1, U2, U4/U6 и U5); поли(A)-полимераза (PAPOLA)АТФ для поли(A)-хвостаВырезание интронов; 98,71% из 22 489 пар сайтов сплайсинга млекопитающих — GT–AG
  7. Зрелая мРНК
  8. Рибосома с факторами элонгации eEF1A и eEF2Аминоацил-тРНК, ГТФКодоны считываются от стартового кодона AUG до одного из трёх стоп-кодонов
  9. Полипептид

Варианты генов и моногенные признаки

Вариант — это различие в последовательности ДНК между людьми; оно может охватывать от одного основания до целых экзонов 8.

Около 85% патогенных вариантов гена LDLR — это миссенс- и нонсенс-варианты, варианты сайтов сплайсинга и небольшие инсерции и делеции, которые выявляются секвенированием; около 15% приходится на более протяжённые внутригенные делеции или дупликации 8.

ВариантОдна копияДве копии
PAH, патогенныйБессимптомное носительство 9Недостаточность фенилаланингидроксилазы 9
HBB c.20A>TНосительство серповидноклеточного признака; анемии нет 10Серповидноклеточная анемия 10
LDLR, патогенныйФункционирует половина рецепторов ЛПНП; уровень ЛПНП примерно удвоен 11У взрослых без лечения холестерин ЛПНП часто выше 13 mmol/L 8
ALDH2*2, rs671Активность ALDH2 в печени не обнаружена у 13 из 13 12Активность не обнаружена у 1 из 1 12
LCT −13910C>TПерсистенция лактазы 13Персистенция лактазы 13

Вариант HBB c.20A>T приводит к замене глутамата в положении 6 зрелого β-глобина на валин (p.Glu7Val в нумерации HGVS) 10. В дезоксигенированном гемоглобине S валин в положении 6 связывается с комплементарными участками соседних молекул, в результате чего образуются нерастворимые полимеры, деформирующие эритроциты; у носителей выше выживаемость при малярии в детском возрасте 10.

Одной субъединицы ALDH2*2, в которой глутамат в положении 504 предшественника заменён лизином, достаточно, чтобы тетрамер почти полностью утратил активность 14; примерно у 36% людей восточноазиатского происхождения после приёма алкоголя краснеет лицо 15.

Окисление этанолаЦитозоль и митохондрии гепатоцитов, затем внепечёночные ткани
  1. Этанол
  2. Алкогольдегидрогеназы класса I (ADH1A, ADH1B, ADH1C), цитозольныеНАД+ → НАДНАцетальдегид образуют также CYP2E1 (НАДФН, O2) и каталаза (CAT, H2O2)
  3. Ацетальдегид
  4. Альдегиддегидрогеназа 2 (ALDH2), митохондриальнаяНАД+ → НАДНДисульфирамОдна субъединица ALDH2*2 (rs671) почти полностью инактивирует тетрамер
  5. Ацетат
  6. Ацетил-КоА-синтетазы ACSS2 (цитозоль) и ACSS1 (митохондрии)АТФ → АМФ + пирофосфат, КоАПечень выделяет ацетат в кровь; его окисляют внепечёночные ткани
  7. Ацетил-КоА

Известно не менее пяти независимых вариантов, связанных с персистенцией лактазы и расположенных в энхансере гена LCT в интроне 13 гена MCM6; один из них — LCT −13910C>T (rs4988235) 1316.

Полигенные признаки

Наследуемые различия по росту, как и по многим другим признакам, обусловлены очень большим числом вариантов, эффект каждого из которых крайне мал 17.

В масштабе всего генома медианный однонуклеотидный полиморфизм (SNP) был связан с различием в росте на 0,14 mm — десятой частью медианного значения 1,43 mm для SNP, достигших полногеномного уровня значимости 17.

Митохондриальная ДНК

У митохондрий есть собственная ДНК, и её варианты передаются детям только от матери 18.

Она кодирует 13 субъединиц дыхательной цепи, 2 рибосомные РНК и 22 транспортные РНК 18. Каждая клетка содержит тысячи её копий; если мутантные копии сосуществуют с нормальными, дефект дыхательной цепи проявляется лишь тогда, когда доля мутантной ДНК превышает пороговое значение 18.

Эпигенетические метки

В клетках с одинаковой ДНК включённое или выключенное состояние разных генов сохраняется при делениях — отчасти благодаря химическим меткам на ДНК и гистонах 19.

DNMT1 метилирует цитозины в составе динуклеотидов CpG, преимущественно в гемиметилированной ДНК, и в участках репликации поддерживает профиль метилирования на новосинтезированной цепи 6.