Lidský genom
Je to souhrn dědičného materiálu obsaženého v lidské buňce. Člověk
Dvacet dva autosomů, dva pohlavní chromozomy X a Y a lidská mitochondriální DNA obsahují dohromady přibližně 3,1 miliardy párů bází.
Během projektu lidského genomu byla stanovena sekvence DNA všech chromozomů a mitochondriální DNA.V současné době jsou tato data aktivně využívána po celém světě v biomedicínském výzkumu.
Úplné sekvenování odhalilo toho člověkagenom obsahuje 20-25 tisíc aktivních genů, což je výrazně méně, než se očekávalo na začátku projektu (asi 100 tisíc) - tedy pouze 1,5 % z celkového genetického materiálu kóduje proteiny nebo funkční RNA.
Zbytek tvoří nekódující DNA, často označovaná jako nevyžádaná DNA, ale ukázalo se, že hraje důležitou roli při regulaci genové aktivity.
Vlastnosti lidského genu
- Chromozomy
V genomu je 23 párů chromozomů:22 párů autozomálních chromozomů, stejně jako pár pohlavních chromozomů X a Y. U lidí je mužské pohlaví heterogametické a je určeno přítomností chromozomu Y. Normální diploidní somatické buňky mají 46 chromozomů.
- Geny
Předběžné odhady naznačovaly přítomnostlidský genom má více než 100 tisíc genů. Podle výsledků projektu Human Genome činil počet genů, nebo spíše otevřených čtecích rámců, asi 28 000 genů. V souvislosti se zdokonalením metod vyhledávání (predikce) genů se očekává další pokles počtu genů.
Počet genů u lidí je jen o málo větší než u jednodušších organismů, jako je škrkavka.Caenorhabditis elegansnebo mouchyDrosophila melanogaster. To je způsobeno skutečností, že alternativní sestřih je v lidském genomu široce zastoupen. Alternativní sestřih umožňuje získat několik různých proteinových řetězců z jednoho genu.
Výsledkem je, že se lidský proteom stávámnohem větší než proteom uvažovaných organismů. Většina lidských genů má více exonů a introny jsou často výrazně delší než hraniční exony v genu.
- Regulační sekvence
Lidský genom obsahuje mnoho různýchsekvence odpovědné za genovou regulaci. Regulace se týká řízení genové exprese (proces konstrukce messenger RNA podél části molekuly DNA).
Obvykle se jedná o krátké sekvence,umístěné buď vedle genu, nebo uvnitř genu. Někdy se nacházejí ve značné vzdálenosti od genu (enhancery). Systematizace těchto sekvencí, porozumění mechanismům práce i problémy vzájemné regulace skupiny genů skupinou odpovídajících enzymů jsou v současné době pouze v počáteční fázi studia.
Je popsána vzájemná regulace skupin genůpomocí genových regulačních sítí. Studium této problematiky je na průsečíku několika oborů: aplikované matematiky, vysoce výkonných počítačů a molekulární biologie. Poznatky pocházejí ze srovnání genomů různých organismů a z pokroků v umělé genové transkripci v laboratoři.
Identifikace regulačních sekvencí vLidský genom byl částečně vytvořen na základě evoluční konzervace (vlastnost zachování důležitých fragmentů chromozomální sekvence, které plní přibližně stejnou funkci).
Podle molekulárních hodin evolučnílidské a myší linie se rozpadly asi před 100 miliony let. U dvou genomů odhalily počítačové metody konzervativní sekvence (sekvence, které jsou identické nebo velmi mírně odlišné ve srovnávaných genomech) v nekódující části a ukázalo se, že se aktivně účastní mechanismů genové regulace v obou organismech.
Další přístup k získání regulačních opatřeníSekvence jsou založeny na srovnání genů lidí a pufferů. Genové sekvence a regulační sekvence u lidí a pufferů jsou v podstatě podobné, ale genom pufferů obsahuje 8krát méně „zbytečné DNA“. Tato „kompaktnost“ genomu ryb výrazně usnadňuje hledání regulačních sekvencí pro geny.
- Další objekty v genomu
Sekvence kódující protein (mnohosekvence, které tvoří exony) tvoří méně než 1,5 % genomu. Bez zohlednění známých regulačních sekvencí obsahuje lidský genom spoustu objektů, které vypadají jako něco důležitého, ale jejichž funkce, pokud vůbec nějaká, nebyla dosud objasněna.
Tyto objekty zabírají až 97% celkového objemu lidského genomu. Mezi takové objekty patří:
- Viry
Asi 1 % lidského genomu zabírají vestavěnéretrovirové geny (endogenní retroviry). Tyto geny obvykle hostiteli neprospívají, ale existují výjimky. Zhruba před 43 miliony let se tak retrovirové geny, které sloužily ke stavbě virového obalu, dostaly do genomu předků opic a lidí. U lidí a opic se tyto geny podílejí na fungování placenty.
Většina retrovirů byla začleněna do genomu lidských předků před více než 25 miliony let. Mezi mladšími lidskými endogenními retroviry nebyly dosud nalezeny žádné prospěšné.
Dekódování genomu neandertálce
Neandrtálský genom se velikostí blíží genomu moderního člověka. Předběžné výsledky ukazují, že DNA moderních lidí a neandrtálců je přibližně z 99,5 % totožná.
Vědci extrahovali fosilní DNANeandertálský muž ze stehenní kosti neandertálského skeletu před 38 000 lety z chorvatské jeskyně Vindia a také z dalších kostí nalezených ve Španělsku, Rusku a Německu. Použitím šimpanzů a sekvencí lidské mitochondriální DNA jako referenčních bodů vědci vypočítali, že datum nesrovnalosti mezi lidskou a neandertálskou mtDNA je 660 000 ± 140 000 let.
V genomech posledních evropských neandrtálců zjeskyně Vindia, Mezmajská (Mezmajská 2), Goye a Le Cotte, kteří žili ca. 45-39 tisíc l. n. Po příchodu sapiens do Evropy nebyla nalezena žádná příměs kromaňonských genů.
Srovnání pozdních neandrtálských genomů sgenom staršího neandrtálce z Kavkazu (Mezmaiskaya 1) ukázal, že ke konci neandertálské historie pravděpodobně došlo k obměně neandertálských populací buď na Kavkaze, nebo v celé Evropě.
Převážná část neandrtálského genového toku na počátkuHomo sapienspochází z jednoho nebo více originálůpopulace neandrtálců, které se od posledních neandrtálců rozcházely nejméně před 90 tisíci lety. n., ale poté, co se asi před 150 tisíci lety oddělili od dříve sekvenovaného neandrtálce ze Sibiře (Altajský neandrtálec).
Čí geny jsme zdědili?
- Denisovité
Moderní lidé se dvakrát křížili s denisovany, američtí genetici zjistili, že analyzovali DNA 5 639 obyvatel Eurasie a Oceánie.
Jak je uvedeno v článku zveřejněném v časopiseBuňka,Vědci zjistili, že předci obyvatel moderní Číny a Japonska se křížili s denisovany ze dvou populací - Altaj a neznámé druhé.
Neandrtálci a denisovani jsou považováni za oddělenédruh (podle jiné verze - poddruh) starověkých lidí. Neandrtálci žili v Evropě a střední Asii a vymřeli asi před 30 tisíci lety a zanechali po sobě četné pozůstatky a artefakty.
O Denisovanech se toho ví mnohem méně.Po nich prakticky neexistují žádné stopy (dosud byly objeveny pouze tři stoličky a falanga prstu), které byly nalezeny na jednom místě - v Denisově jeskyni v Altaji. Ve skutečnosti nový druh lidí objevil genetika, která sekvenovala DNA z falangy prstu a našla významné rozdíly v mitochondriálních a jaderných genomech od genomů moderních lidí a neandertálců.
- Neandertálci
Genom neandrtálců a moderních lidíse liší o 0,16 %. Na jednu stranu jsou rozdíly malé. Na druhou stranu můžete vidět, které geny jsou přítomny u moderních lidí, ale chybí jak u šimpanzů, tak u neandrtálců.
Jedná se o hypotetické prvky, které nejsouzdědil od společného předka a objevil se až po divergenci větví moderních lidí a neandertálců. Takových čistě moderních prvků - nukleotidových substitucí v genech - bylo 78. Některé z těchto nukleotidových substitucí mohou být neutrální (mohou být fixovány v důsledku obvyklých demografických procesů, úzkých míst atd.), Zatímco jiné mohou mít také adaptivní význam.
Existovalo tedy 5 takových genůněkolik z těchto substitucí nukleotidů. Tyto geny a tedy i tyto mutace jsou zjevně adaptivní pro moderní lidi, jinak by jim evoluce nevěnovala tak velkou pozornost. Jedná se o geny spojené s kožními funkcemi, duševní aktivitou, energetickým metabolismem /
Jak genofond ovlivnil lidskou populaci?
V roce 2010Neandertálský jaderný genombyla poprvé plně prostudována. Genetická stopa tohoto druhu se velmi často přepočítává. Populační genetikaz University of WashingtonBenjamin VernottAJoshua Eki zahájil výzkum a nový přístup umožnil autorům „vytáhnout“ všechny sekvence neandertálské DNA skryté v moderních genomech.
Došli k závěru, že v genofondu modernV evropských a asijských populacích cirkuluje celkem asi 20 % neandrtálského genomu. Neandrtálské sekvence v genomu moderních lidí jsou poměrně krátké - to se vysvětluje skutečností, že od hybridizace s neandertálci uplynulo poměrně hodně času a dlouhé sekvence byly přerušenyrekombinace(výměna úseků mezi různými chromozomy).
26% všech kódujících proteinů obsahuje také neandertálské alely.
Geny v keratinocytech (kožní buňky): jsou potřebné ke zlepšení pigmentace nebo adaptace. A oblast na sedmém chromozomu obsahujícím gen pomohla rozvíjet lidskou řeč.
Nejnovější vědecké pokroky
- Nejstarší evropský genom byl rekonstruován
Vědci z genetické laboratoře Institutu Maxe Plancka pro dějiny lidstva v Německu zrekonstruovali nejstarší evropský genom.
Pro tuto studii byl materiál odebrán z lebky staré asi 45 tisíc let, nalezené ve městě Zlatý Kun v České republice. Patřilo to ženě.
Ukázalo se, že genom od Zlaté Kuny obsahujepřibližně stejné množství neandrtálské DNA jako u jiných moderních lidí, asi 2-3 %, ale samotné neandrtálské genové segmenty jsou v něm mnohem delší než u všech ostatních.
DNA této ženy podle autorů práce nenínalezené u lidí, kteří žili později v Evropě nebo Asii. To naznačuje, že moderní lidé byli přítomni v jihovýchodní Evropě již před 47–43 tisíci lety.
- Nový mechanismus genové regulace
Skupina vědců z Ruska studovala roli dvouvláknových fragmentů maturující RNA a prokázala, že interakce mezi jejími vzdálenými částmi může regulovat genovou expresi.
RNA má dvě struktury – primární a sekundární.Primární struktura nukleových kyselin se týká pořadí a sekvence uspořádání mononukleotidů v polynukleotidovém řetězci RNA. Takový řetězec je stabilizován 3′,5′-fosfodiesterovými vazbami. Sekundární struktura je zase konformační uspořádání hlavního řetězce makromolekuly (například polypeptidového řetězce proteinu nebo řetězce nukleových kyselin), bez ohledu na konformaci postranních řetězců nebo vztah k jiným segmentům.
Při popisu sekundární struktury je důležité určit vodíkové vazby, které stabilizují jednotlivé fragmenty makromolekul.
Díky nové práci se ukázalo, že sekundárníStruktura hraje důležitou roli při zrání molekul RNA nesoucích informace, zejména při sestřihu. Jedná se o proces, při kterém jsou nekódující oblasti vyříznuty a kódující oblasti jsou spojeny dohromady (jako při zrání molekul RNA). Vědci prokázali, že sekundární struktury RNA mohou regulovat sestřih a přispívat tak více k regulaci genů, než se dříve myslelo.
- Systém CRISPR / Cas9
Největším průlomem desetiletí byl systém CRISPR/Cas9, za který jeho tvůrci Jennifer Doudna a Emmanuelle Charpentier obdrželi v roce 2020 Nobelovu cenu za chemii.
CRISPR / Cas9 je metoda úpravy genomuvysoká přesnost, která vám umožní změnit geny živých mikroorganismů, včetně lidí. A s jeho pomocí existují šance na vytvoření metod boje proti HIV a dalším nemocem, které dnes zní jako věta.
- Geneticky modifikované děti
V roce 2018 se narodiligeneticky modifikované děti - dívky Lulu a Nana. Zygota byla získána pomocí IVF (oplodnění in vitro), geneticky pozměněna pomocí CRISPR / Cas9 a implantována do dělohy ženy, která porodila dívky.
Přečtěte si více:
Jaderné reakce zesílily v reaktoru černobylské jaderné elektrárny
Vědci ukázali, jak černá díra trhá hvězdu
Fyzici vytvořili analogii černé díry a potvrdili Hawkingovu teorii. Kam to vede?