Човешки геном
Това е съвкупността от наследствен материал, съдържащ се в една човешка клетка. Човек
Двадесет и две автозоми, две полови хромозоми X и Y и човешка митохондриална ДНК съдържат заедно около 3,1 милиарда базови двойки.
По време на изпълнението на проекта за човешкия геном имашебеше определена ДНК последователността на всички хромозоми и митохондриалната ДНК. В момента тези данни се използват активно по целия свят в биомедицинските изследвания.
Пълното секвениране разкри, че човешкиятгеномът съдържа 20-25 хиляди активни гени, което е значително по-малко от очакваното в началото на проекта (около 100 хиляди) - тоест само 1,5% от общия генетичен материал кодира протеини или функционална РНК.
Останалото е некодираща ДНК, често наричана нежелана ДНК, но която доказано играе важна роля в регулирането на генната активност.
Характеристики на човешкия ген
- Хромозоми
В генома има 23 двойки хромозоми:22 двойки автозомни хромозоми, както и двойка полови хромозоми X и Y. При хората мъжкият пол е хетерогаметен и се определя от наличието на Y хромозома. Нормалните диплоидни соматични клетки имат 46 хромозоми.
- Гени
Предварителните оценки предполагат наличието начовешкият геном има повече от 100 хиляди гени. Според резултатите от проекта за човешкия геном, броят на гените или по-скоро отворените рамки за четене възлиза на около 28 000 гена. Във връзка с подобряването на методите за търсене (прогнозиране) на гени се очаква по-нататъшно намаляване на броя на гените.
Броят на гените при хората е само малко по-голям, отколкото при по-простите организми, като кръглия червей.Caenorhabditis elegansили мухиDrosophila melanogaster. Това се дължи на факта, че алтернативният сплайсинг е широко представен в човешкия геном. Алтернативното снаждане ви позволява да получите няколко различни протеинови вериги от един ген.
В резултат на това се оказва човешкият протеоммного по-голям от протеома на разглежданите организми. Повечето човешки гени имат множество екзони и интроните често са значително по-дълги от граничните екзони в ген.
- Регулаторни последователности
Човешкият геном съдържа много различнипоследователности, отговорни за генната регулация. Регулирането се отнася до контрола на генната експресия (процесът на конструиране на информационна РНК по продължение на секция от ДНК молекула).
Това обикновено са кратки последователности,разположени или до гена, или в него. Понякога те се намират на значително разстояние от гена (подобрители). Систематизирането на тези последователности, разбирането на механизмите на работа, както и въпросите за взаимното регулиране на група гени от група съответни ензими в момента са само в началния етап на изследването.
Взаимната регулация на групи от гени е описана сизползване на генни регулаторни мрежи. Изследването на тези въпроси е в пресечната точка на няколко дисциплини: приложна математика, високопроизводителни изчисления и молекулярна биология. Знанието идва от сравненията на геномите на различни организми и от напредъка в изкуствената генна транскрипция в лабораторията.
Идентифициране на регулаторни последователности вЧовешкият геном е частично произведен на базата на еволюционна консервация (свойството да се запазват важни фрагменти от хромозомната последователност, които служат приблизително на същата функция).
Според молекулярния часовник, еволюционенчовешката и мишката линии се разделиха преди около 100 милиона години. За два генома компютърните методи разкриха консервативни последователности (последователности, които са идентични или съвсем малко различни в сравняваните геноми) в некодиращата част и се оказа, че те са активно включени в механизмите на генната регулация и в двата организма.
Друг подход за получаване на регулаторниПоследователностите се основават на сравнение на гените на хората и надутите риби. Генните последователности и регулаторните последователности при хората и рибите-пуфтери са по същество сходни, но геномът-пуф риба съдържа 8 пъти по-малко "боклук ДНК". Тази „компактност“ на рибния геном улеснява много търсенето на регулаторни последователности за гените.
- Други обекти в генома
Протеинови кодиращи последователности (многопоследователности, които изграждат екзони) съставляват по-малко от 1,5% от генома. Без да се вземат предвид известните регулаторни последователности, човешкият геном съдържа много обекти, които изглеждат като нещо важно, но чиято функция, ако има такава, все още не е изяснена.
Тези обекти заемат до 97% от общия обем на човешкия геном. Такива обекти включват:
- Вируси
Около 1% от човешкия геном е зает от вградениретровирусни гени (ендогенни ретровируси). Тези гени обикновено не са от полза за гостоприемника, но има изключения. Така преди около 43 милиона години в генома на предците на маймуните и хората са влезли ретровирусни гени, служещи за изграждането на обвивката на вируса. При хората и маймуните тези гени участват във функционирането на плацентата.
Повечето ретровируси са били включени в генома на човешките предци преди повече от 25 милиона години. Сред по-младите ендогенни човешки ретровируси досега не са открити никакви полезни.
Декодиране на генома на неандерталец
Геномът на неандерталеца е близък по размер до генома на съвременния човек. Предварителните резултати показват, че ДНК на съвременните хора и неандерталците е приблизително 99,5% идентична.
Изследователите са извлекли фосилна ДНКНеандерталец от бедрената кост на скелет на неандерталец преди 38 000 години от пещерата Виндия в Хърватия, както и от други кости, намерени в Испания, Русия и Германия. Използвайки последователностите на ДНК на шимпанзето и човешката митохондрия като референтни точки, учените изчисляват, че датата на несъответствието между човешката и неандерталската mtDNA е 660 000 ± 140 000 години.
В геномите на последните европейски неандерталци отпещерите Виндия, Мезмайская (Мезмайская 2), Гойе и Льо Кот, живял ок. 45-39 хил.л. н. След пристигането на сапиенс в Европа не е открит примес на кроманьонски гени.
Сравнение на късните неандерталски геноми сгенома на по-стар неандерталец от Кавказ (Mezmaiskaya 1) показва, че към края на историята на неандерталците вероятно е имало промяна на неандерталските популации или в Кавказ, или в цяла Европа.
По-голямата част от гените на неандерталците текат в началотоHomo sapiensидва от един или повече оригиналнипопулации на неандерталци, които са се отделили от последните неандерталци преди най-малко 90 хиляди години. н., но след като са се отделили от преди това секвениран неандерталец от Сибир (алтайски неандерталец) преди около 150 хиляди години.
Чии гени сме наследили?
- Денисовци
Съвременните хора са се кръстосвали с денисовци два пъти, американските генетици установиха, че са анализирали ДНК на 5639 жители на Евразия и Океания.
Както се казва в статия, публикувана в спКлетка,Учените са открили, че предците на жителите на съвременния Китай и Япония са се кръстосвали с денисовци от две популации - алтайската и неизвестна втора.
Неандерталците и денисовците се считат за отделнивид (според друга версия - подвид) на древните хора. Неандерталците са живели в Европа и Централна Азия и са измрели преди около 30 хиляди години, оставяйки множество останки и артефакти.
За денисованите се знае много по-малко.От тях практически няма следи (засега са открити само три кътника и фаланга на пръст), които са открити на едно място - Денисовата пещера в Алтай. Всъщност, нов тип хора бяха открити от генетиката, секвенирайки ДНК от фалангата на пръста и откривайки значителни разлики в митохондриалните и ядрените геноми от геномите на съвременните хора и неандерталците.
- Неандерталци
Геномът на неандерталците и съвременните хорасе различава с 0,16%. От една страна разликите са малки. От друга страна, можете да видите кои гени присъстват при съвременните хора, но липсват както при шимпанзетата, така и при неандерталците.
Това са хипотетични елементи, които не санаследени от общ прародител и се появяват едва след разминаването на клоновете на съвременните хора и неандерталците. Имаше 78 такива чисто модерни елемента - нуклеотидни замествания в гените. Някои от тези нуклеотидни замествания може да са неутрални (те биха могли да бъдат фиксирани в резултат на обичайните демографски процеси, тесни места и т.н.), докато други също могат да имат адаптивно значение.
И така, имаше 5 такива гена, които носеха заедноняколко от тези нуклеотидни замествания. Тези гени и съответно тези мутации очевидно са адаптивни за съвременните хора, иначе еволюцията не би им обърнала толкова голямо внимание. Това са гени, свързани с кожните функции, умствената дейност, енергийния метаболизъм /
Как генофондът повлия на човешката популация?
В 2010Ядрен геном на неандерталецза първи път беше напълно проучен. Генетичната следа на този вид се преизчислява много често. Популационна генетикаот Вашингтонския университетБенджамин ВернотИДжошуа Еки започна изследване и новият подход позволи на авторите да „извадят“ всички последователности на неандерталската ДНК, скрити в съвременните геноми.
Стигнаха до извода, че в генофонда на съвременнитеВ европейските и азиатските популации циркулира общо около 20% от неандерталския геном. Неандерталските последователности в генома на съвременния човек са доста кратки - това се обяснява с факта, че е минало доста време от хибридизацията с неандерталците и дългите последователности са били нарушенирекомбинации(обмяна на участъци между различни хромозоми).
26% от всички кодиращи протеини също съдържат неандерталски алели.
Гени в кератиноцитите (кожни клетки): те са необходими за подобрена пигментация или адаптация. А регионът на седмата хромозома, съдържащ гена, помогна за развитието на човешката реч.
Последни научни постижения
- Реконструиран е най-древният европейски геном
Учени от генетичната лаборатория на Института за история на човечеството Макс Планк в Германия са реконструирали най-стария европейски геном.
За изследването е взет материал от череп на възраст около 45 хиляди години, намерен в град Злати Кун в Чешката република. Принадлежаше на жена.
Оказа се, че геномът на Злата Кун съдържаприблизително същото количество неандерталска ДНК като другите съвременни хора, около 2-3%, но самите неандерталски генни сегменти са много по-дълги при него, отколкото при всички останали.
Според авторите на работата, ДНК на тази жена не е такаваоткрити при хора, живели по-късно в Европа или Азия. Това предполага, че съвременните хора са присъствали в Югоизточна Европа още преди 47–43 хиляди години.
- Нов механизъм на генна регулация
Група учени от Русия изследваха ролята на двойноверижни фрагменти от узряваща РНК и показаха, че взаимодействието между нейните отдалечени части може да регулира генната експресия.
РНК има две структури – първична и вторична.Първичната структура на нуклеиновите киселини се отнася до реда и последователността на подреждането на мононуклеотидите в полинуклеотидната верига на РНК. Такава верига се стабилизира от 3',5'-фосфодиестерни връзки. От своя страна вторичната структура е конформационното разположение на основната верига на макромолекула (например полипептидна верига на протеин или верига от нуклеинови киселини), независимо от конформацията на страничните вериги или връзката с други сегменти.
При описването на вторичната структура е важно да се определят водородните връзки, които стабилизират отделни фрагменти от макромолекули.
Благодарение на новата работа се оказа, че вторичнатаструктурата играе важна роля за съзряването на носители на информация РНК молекули, и особено при сплайсинг. Това е процес, при който некодиращите области се изрязват и кодиращите региони се съединяват (както при узряването на РНК молекулите). Учените са показали, че вторичните структури на РНК могат да регулират сплайсинга и по този начин да допринесат повече за генната регулация, отколкото се смяташе преди.
- Система CRISPR / Cas9
Най-големият пробив на десетилетието беше системата CRISPR/Cas9, за която нейните създатели Дженифър Дудна и Еманюел Шарпентие получиха Нобелова награда за химия за 2020 г.
CRISPR / Cas9 е метод за редактиране на геномвисока точност, позволяваща ви да променяте гените на живите микроорганизми, включително хората. И с негова помощ има шансове да се създадат методи за борба с ХИВ и други заболявания, които днес звучат като изречение.
- Генетично модифицирани деца
През 2018 г. са роденигенетично модифицирани деца - момичета Лулу и Нана. Зиготата е получена чрез IVF (ин витро оплождане), генетично променена с CRISPR / Cas9 и имплантирана в матката на жената, която е родила момичетата.
Прочетете още:
Ядрените реакции се засилиха в реактора на атомната електроцентрала в Чернобил
Учените показаха как черна дупка разкъсва звезда
Физиците са създали аналог на черна дупка и са потвърдили теорията на Хокинг. Къде води?