Genomul uman

Genomul uman este identic la toți indivizii populației umane în proporție de 99,9%. Genele situate pe cromozomii din nucleul celular conțin informația genetică înscrisă în ADN, informație cu ajutorul căreia se realizează sinteza proteinelor. S-a stabilit că numărul total de gene al genomului este de 35.000, dar este cunoscută doar funcția a jumătate dintre ele.

Genomul uman reprezintă practic totalitatea informației genetice stocată în ADN, care este situat pe genele cromozomilor condensați în nucleul celular eucariot, la care se adaugă și informația genetică mitocondrială. El diferă cu aproximativ 1,23% de genomul cimpanzeului, existând variații foarte mici, în jur de 2%, între genomul uman și genomul maimuțelor superioare.

Structura genomului uman

Conține ADN-ul celular sau totalul de 25 de molecule diferite de ADN, 24 aflate în cromozomi (22 în cromozomii autozomali la care se adaugă cele 2 molecule de ADN din gonozomii X și Y) și o moleculă aflată în mitocondrii. Prin urmare s-a stabilit delimitarea genomului uman în două fracțiuni: genom nuclear și genom mitocondrial. Fiecare celulă eucariotă conține cele 25 de molecule de ADN, informația genetică totală a tuturor celulelor organismului ajungând la 7 picograme de ADN în totalitatea celulelor diploide și 3,5 picograme de ADN în totalitatea celulelor haploide.
Teoretic, genomul uman se extinde de-a lungul a 3,3 miliarde de perechi de baze azotate. Prin extrapolarea unității informatice de măsură Gigabyte, s-a estimat că genomul uman ar avea o mărime de 3,2 Gibabaze de informație.
Genomul nuclear conține 99,5% din ADN, este complex și deține totalitatea informației genetice necesare pentru sinteza proteică și pentru transmiterea caracterelor de la generație la generație. Genomul mitocondrial conține doar 0,5% din ADN, este redus și deține informația pentru sinteza enzimelor respiratorii mitocondriale implicate în mecanismul respirației celulare și în supraviețuirea celulei.
Înainte se credea că genomul uman este alcătuit din totalitatea genelor unui organism, dar odată cu dezvoltarea geneticii moleculare s-a stabilit că acesta este reprezentat de totalitatea secvențelor sau macromoleculelor de ADN dispuse în nucleul celular și mitocondrii.
Eucromatina nucleară, codantă și activă conține cea mai mare parte a informației genomice nucleare și anume 2,95 Gigabaze, heterocromatina fiind inactivă și ocupând puțin spațiu în genomul nuclear.

Genomul nuclear

Conține 99% din totalitatea informației genetice, adică 99% din ADN-ul celular. ADN-ul asociat cu proteine histonice și non-histonice formează cei 24 de cromozomi autozomali din nucleu și cei 2 cromzomi sexuali, X și Y. Ei sunt diferiți prin mărime și structură. Prin tehnica bandării cromozomilor și a colorării acestora cu Giemsa, s-au evidențiat benzile de eucromatină (slab colorate) și heterocromatină (intens colorate), datorită diferențelor de compoziție nucleotidică și densității diferite de gene care dau structura neuniformă a cromozomilor umani.
Datorită faptului că secvențele de baze azotate din structura ADN-ului se repetă diferit de-a lungul macromoleculei, s-au identificat în genomul uman mai multe tipuri de ADN și anume: ADN înalt repetitiv, ADN moderat repetitiv și ADN nerepetitiv.
ADN-ul nuclear a mai fost împărțit în ADN genic (25% din ADN-ul nuclear) și ADN extragenic (75% din ADN-ul nuclear).

ADN-ul înalt repetitiv

Reprezintă 10% din genom și este alcătuit din secvențe foarte scurte care se repetă succesiv de milioane de ori. Acest tip de ADN este non-informațional, rolul lui nefiind precizat în totalitate. Secvențele care îl alcătuiesc nu sunt transcrise în ARN mesager pentru a fi translatate în proteine. Majoritatea secvențelor alcătuiesc blocuri de heterocromatină ce intră în constituția cromozomilor, rolul lor fiind structural. Alte secvențe foarte scurte sunt răspândite în toți cromozomii formând minisateliții cu o structură extrem de variabilă de la cromozom la cromozom. Alte secvențe au o distribuție uniformă în genom și formează microsateliții cromozomiali.

ADN-ul moderat repetitiv

Formează 30% din genom și este alcătuit tot din secvențe scurte de baze azotate care se repetă de zeci de mii de ori, fiind însă mai lungi decât cele ale ADN-ului înalt repetitiv. Ele formează familii de secvențe înrudite, acest tip de ADN îndeplinind rol informațional deoarece unele dintre secvențe sunt transcrise în ARN mesager, iar altele sunt codante pentru ARN de transfer și ARN ribozomal. Există și alte secvențe numite LINEs și SINEs a căror funcție nu a fost încă precizată.

ADN-ul nerepetitiv

Deține cel mai mare procent din genom, și anume 60%, fiind alcătuit din secvențe unice de baze azotate care formează familii de gene sau familii multigenice. Are un rol strict informațional și se găsește în regiunile mai puțin condensate ale cromozomilor care sunt active transcripțional și bogate în eucromatină. Însă doar 2% din acest tip de ADN formează exonii, secvențele informaționale din ADN care codifică proteine. Aceste gene sunt transcrise din ADN-ul matriță, pe ARN-ul mesager. Se numesc și gene de clasă II deoarece sunt transcrise de pe ADN pe ARN cu ajutorul ARN polimerazei II. Restul de 58% din ADN-ul nerepetitiv este alcătuit din introni- secvențe non-informaționale și în secvențele de legătură dintre gene și are funcții necunoscute.

ADN-ul genic

Conține intronii și exonii, sau secvențele de baze azotate informaționale și non-informaționale din structura genelor active în transcripție și translație. Gena este unitatea structurală a genomului care codifică fie proteine fie ARN necodant. Numai regiunea centrală a genei este transcrisă, cele două regiuni laterale având un rol reglator. Intronii și exonii intră în structura regiunii centrale a genei care se numește și „cadru de lectură” sau „open reading frame” deoarece ea conține informația genetică ce va fi preluată și transcrisă pe ARN mesager pentru a fi transformată în proteine la nivel ribozomal. Astfel ADN-ul genic este împărțit în ADN codant alcătuit din structurile informaționale sau exonii genelor, în proporție de 10% din ADN-ul nuclear, și ADN necodant alcătuit din introni sau structuri non-informaționale cu presupus rol structural și reglator în proporție de 90% din ADN-ul nuclear. La rândul lor, genele din genomul nuclear se împart în gene care codifică proteine și gene care codifică ARN necodant.
1,5% din genele genomului uman sunt responsabile de codificarea informației genetice necesare sintezei proteice, dar ele sunt extrem de diferite ca mărime și ca locus ocupat pe cromozomi. Regiunile din ADN bogate în legături guanină-citozină (G-C) sunt mult mai dense genetic decât regiunile bogate în legături fosfodiesterice adenină-timină (A-T), genele au o structură variabilă și formează cupluri alelice și familii de gene. Cromozomii omologi suferă procesul de crossing-over și fac schimb de secvențe genice astfel încât cele aproximativ 35 000 de gene ale genomului dețin informația genetică necesară producerii unui număr triplu de proteine.
Genele pentru ARN necodant reprezintă cea mai mare proporție în cadrul genomului nuclear și sunt împărțite și ele în: gene pentru ARN de transfer, gene pentru ARN ribozomal, gene pentru ARN nucleolar mic responsabil de procesarea ARN ribozomal și gene pentru ARN nuclear mic care procesează intronii.
Totalitatea genelor reprezintă aproximativ 5% din genomul uman dar ele sunt responsabile de exercitarea funcției fundamentale a genomului și anume sinteza de proteine, baza lumii vii.

ADN-ul extragenic

Reprezintă 75% din ADN-ul nuclear și este alcătuit din secvențe unice sau repetitive, care nu sunt implicate în procesul de transcripție genetică. Aceste secvențe repetitive au fost împărțite și ele în două clase:
ADN înalt repetitiv și grupat în blocuri cu diverse localizări în cadrul cromozomilor și care se mai numește și ADN satelit, împărțit la rând ul lui în: megasatelit, satelit, minisatelit și microsatelit.
ADN moderat repetitiv care se află în spațiile dintre gene, și cuprinde secvențele SINEs și LINEs.

Genomul mitocondrial

Conține un singur tip de ADN circular și bicatenar, iar totalitatea ADN-ului mitocondrial din toate celulele însumează 0,5% din genomul uman. Este foarte compact, 93% din ADN-ul mitocondrial fiind alcătuit din secvențe informaționale codante dispuse pe 37 de gene mitocondriale. Genele mitocondriale se transmit doar de la mamă la copil, deoarece genomul mitocondrial al zigotului provine exclusiv de la ovul. Raportat la unitățile de mărime din informatică, genomul mitocondrial conține o informație dispusă în 16,6 kilobaze. Spre deosebire de genomul nuclear unde ADN-ul este asociat cu proteine histonice și non-histonice, ADN-ul mitocondrial nu este asociat cu proteine iar densitatea genelor ADN-ului mitocondrial este mult mai mare decât densitatea genelor ADN-ului nuclear, deși genomul nuclear conține 35 000 de gene iar genomul mitocondrial conține doar 37 de gene.
Genomul nuclear are o capacitatea foarte mare de combatere a mutațiilor genetice și de reparare a leziunilor din ADN, în timp ce în genomul mitocondrial mutațiile se acumulează foarte rapid deoarece mecanismele de reparare sunt foarte reduse.
Transmiterea ereditară a genelor din genomul nuclear se face mendelian pentru genele autozomale și cele de pe cromozmul X și paternal pentru genele cromozomului Y, în timp ce transmiterea ereditară a genelor genomului mitocondrial se face strict pe cale maternă.

Genetica raselor umane

Fiecare celulă a genomului uman conține aproximativ 35 000 de gene, materialul genetic codat în structura acestora fiind localizat în cei 46 de cromozomi ai speciei umane, 23 de origine maternă și 23 de origine paternă. Fiecare om este un exemplar unic genetic al speciei Homo sapiens sapiens.
Rasa, definită antropologic este o grupare biologică de indivizi cu origine comună, o anumită distribuție geografică și anumite particularități fizice: forma capului și a părului, forma buzelor, nasului, feței, pigmentația etc.
Cu ajutorul citogeneticii și geneticii moleculare s-au stabilit markeri genetici pe baza cărura s-a făcut analiza structurii genetice a genomului fiecărei rase umane. Markerii genetici nu sunt influențați fenotipic, ei suferind schimbări doar sub acțiunea dinamicii genomice reprezentată de selecția naturală, mutații, migrații și drift genetic (schimbarea frecvenței alelelor de la o generație la alta).
Identitatea genetică reprezintă înrudirea dintre rase, iar densitatea genetică definește diferența genetică dintre rase în cadrul speciei de care toate rasele aparțin și anume Homo sapiens sapiens.
Diferența genică globală dintre două populații poate fi măsurată prin formula F (st) = Vp/p (1-p) în care Vp reprezintă variația dintre frecvențele genice ale unui set de n populații iar p reprezintă frecvența medie a populațiilor.
Distanța genetică este dată de formula d=x-y unde x este frecvența genei într-una din populațiile analizate, y este frecvența genei în cealaltă populație analizată iar d este distanța genetică dintre cele două gene.
Rasele sunt definite genetic ca fiind populații izolate care au o frecvență caracteristică a exprimării anumitor gene, frecvență prin care se deosebesc de alte populații care aparțin aceleiași specii. Unele gene sunt mai frecvente întrj-o rasă decât în alta, dar majoritatea genelor au o distribuție uniformă în cadrul speciei umane. Populațiile se deosebesc doar prin frecvența inegală cu care se exprimă fenotipic anumite gene, nu prin monopolul exclusiv al unor gene.
S-au diferențiat trei mari rase umane:
- albă, leucodermă sau caucaziană
- galbenă sau xantodermă, căreia aparțin și amerindienii
- neagră sau melanodermă
Subcategoriile acestor mari rase au apărut pe criterii etnice, geografice, lingvistice, etnografice și culturale, astfel că, în cadrul fiecărei rase mari există mai multe subrase.
Nu există rase pure în cadrul specie umane, deoarece o rasă pură ar trebui să fie formată numai din indivizi homozigoți pentru toate genele alele, ănsă specia umană este heterozigotă prin definiție. Populațiile umane sunt extrem de diverse din punct de vedere genetic, uneori diversitatea genetică este mai mare în cadrul unei rase decât între rase diferite.

Proiectul genomului uman

Sau Human Genome Project a fost lansat în SUA în 1989 de către Human Generic Organization (HUGO) cu întindere pe o durată de 15 ani (1990-2005) și avea ca obiective: identificarea și cartografierea tuturor genelor, descoperirea secvenței celor 3 miliarde de baze azotate în genom și constituirea unor baze de date genetice complete. Scopul final al proiectului ar fi acela de descoperire a noi metode de diagnostic pentru bolile genetice, unor noi tratamente și prevenția bolilor genetice pe baza informațiilor din genom, și pe baza asocierii unei anumite gene cu o anumită boală și descoperirii genelor responsabile de predispoziția genetică spre anumite afecțiuni.
În 2004 a fost publicată versiunea finisată a genomului uman, după ce în 2001 fusese publicată o primă variantă. Aceasta cuprinde secvența bazelor azotate sau nucleotidelor a 93% din genomul uman adică a 2,85 de miliarde de nucleotide dintr-un total de 3,2 miliarde. A rămas nesecvențiată 1% din eucromatină și heterocromatina, despre care se crede că nu conține gene. În 2007 s-a încheiat secvențierea întregului genom, numeroase date urmând a fi adăugate, însă analiza bazelor de date nu este încă finalizată.
În ultimii ani au fost dezvoltate numeroase metode de analiză genică precum: hibridizarea simultană, analiza expresiei genelor și tehnici de manipulare genetică. Se pune mare accent pe cercetare în domeniul terapiei genice prin studierea metodelor de inactivare a genelor bolnave din genom sau introducerea unor gene normale care suprime expresia genelor mutante. Viitorul va fi al medicinii personalizate, al analziei predispoziției genetice către boală pe baza analizei genomului fiecărui individ precum și detecția bolilor genetice prin teste prenatale.