Menschliche DNA
Es ist die Gesamtheit des in der menschlichen Zelle enthaltenen Erbguts. Mensch
Zweiundzwanzig Autosomen, zwei Geschlechtschromosomen X und Y und menschliche mitochondriale DNA enthalten zusammen ungefähr 3,1 Milliarden Basenpaare.
Im Rahmen des Humangenomprojekts wurde die DNA-Sequenz aller Chromosomen und der mitochondrialen DNA bestimmt.Derzeit werden diese Daten weltweit aktiv in der biomedizinischen Forschung genutzt.
Die vollständige Sequenzierung ergab, dass es sich um einen Menschen handelteDas Genom enthält 20–25.000 aktive Gene, was deutlich weniger ist als zu Beginn des Projekts erwartet (ca. 100.000) – das heißt, nur 1,5 % des gesamten genetischen Materials kodieren Proteine oder funktionelle RNA.
Der Rest ist nicht-kodierende DNA, die oft als Junk-DNA bezeichnet wird, aber nachweislich eine wichtige Rolle bei der Regulierung der Genaktivität spielt.
Merkmale des menschlichen Gens
- Chromosomen
Es gibt 23 Chromosomenpaare im Genom:22 Paare autosomaler Chromosomen sowie ein Paar Geschlechtschromosomen X und Y. Beim Menschen ist das männliche Geschlecht heterogametisch und wird durch das Vorhandensein eines Y-Chromosoms bestimmt. Normale diploide Körperzellen haben 46 Chromosomen.
- Gene
Vorläufige Schätzungen deuteten auf das Vorhandensein vonDas menschliche Genom hat mehr als 100.000 Gene. Nach den Ergebnissen des Humangenomprojekts betrug die Anzahl der Gene bzw. offenen Leserahmen etwa 28.000 Gene. Im Zusammenhang mit der Verbesserung der Methoden zur Suche (Vorhersage) von Genen wird eine weitere Verringerung der Anzahl von Genen erwartet.
Die Anzahl der Gene ist beim Menschen nur geringfügig größer als bei einfacheren Organismen wie dem Spulwurm.Caenorhabditis elegansoder FliegenDrosophila melanogaster. Dies liegt daran, dass alternatives Spleißen im menschlichen Genom weit verbreitet ist. Durch alternatives Spleißen können Sie mehrere verschiedene Proteinketten aus einem Gen erhalten.
В результате человеческий протеом оказывается viel größer als das Proteom der betrachteten Organismen. Die meisten menschlichen Gene haben mehrere Exons, und Introns sind oft signifikant länger als die Grenzexons in einem Gen.
- Regulatorische Sequenzen
Das menschliche Genom enthält viele verschiedeneSequenzen, die für die Genregulation verantwortlich sind. Unter Regulation versteht man die Kontrolle der Genexpression (den Prozess des Aufbaus von Boten-RNA entlang eines Abschnitts eines DNA-Moleküls).
Dies sind normalerweise kurze Sequenzen,befindet sich entweder neben dem Gen oder innerhalb des Gens. Manchmal befinden sie sich in beträchtlicher Entfernung vom Gen (Enhancer). Die Systematisierung dieser Sequenzen, das Verständnis der Arbeitsmechanismen sowie Fragen der gegenseitigen Regulation einer Gruppe von Genen durch eine Gruppe entsprechender Enzyme befinden sich derzeit erst im Anfangsstadium der Studie.
Die gegenseitige Regulierung von Gengruppen wird mit beschriebenunter Verwendung genregulatorischer Netzwerke. Die Untersuchung dieser Fragen erfolgt an der Schnittstelle mehrerer Disziplinen: Angewandte Mathematik, Hochleistungsrechnen und Molekularbiologie. Erkenntnisse stammen aus Vergleichen der Genomen verschiedener Organismen und aus Fortschritten bei der künstlichen Gentranskription im Labor.
Identifizierung regulatorischer Sequenzen inDas menschliche Genom wurde teilweise auf der Grundlage der evolutionären Konservierung (der Eigenschaft, wichtige Fragmente der Chromosomensequenz zu erhalten, die annähernd die gleiche Funktion erfüllen) erzeugt.
Nach der molekularen Uhr evolutionärDie Linien von Mensch und Maus haben sich vor etwa 100 Millionen Jahren geteilt. Für zwei Genome zeigten Computermethoden konservative Sequenzen (Sequenzen, die in den verglichenen Genomen identisch oder geringfügig unterschiedlich sind) im nichtkodierenden Teil, und es stellte sich heraus, dass sie aktiv an den Mechanismen der Genregulation in beiden Organismen beteiligt sind.
Ein weiterer Ansatz zur Erlangung von RegulierungsvorschriftenDie Sequenzen basieren auf einem Vergleich der Gene von Menschen und Kugelfischen. Die Gensequenzen und regulatorischen Sequenzen bei Menschen und Kugelfischen sind im Wesentlichen ähnlich, aber das Genom der Kugelfische enthält 8-mal weniger "Junk-DNA". Diese "Kompaktheit" des Fischgenoms erleichtert die Suche nach regulatorischen Sequenzen für Gene erheblich.
- Andere Objekte im Genom
Proteinkodierende Sequenzen (vieleSequenzen, aus denen Exons bestehen) machen weniger als 1,5 % des Genoms aus. Ohne Berücksichtigung bekannter regulatorischer Sequenzen enthält das menschliche Genom viele Objekte, die wie etwas Wichtiges aussehen, deren Funktion jedoch, wenn überhaupt, noch nicht geklärt ist.
Diese Objekte nehmen bis zu 97% des Gesamtvolumens des menschlichen Genoms ein. Solche Objekte umfassen:
- Viren
Etwa 1 % des menschlichen Genoms ist mit eingebauten Zellen besetztRetrovirus-Gene (endogene Retroviren). Diese Gene kommen dem Wirt normalerweise nicht zugute, es gibt jedoch Ausnahmen. So gelangten vor etwa 43 Millionen Jahren retrovirale Gene, die zum Aufbau der Virushülle dienten, in das Genom der Vorfahren von Affen und Menschen. Bei Menschen und Affen sind diese Gene an der Funktion der Plazenta beteiligt.
Die meisten Retroviren wurden vor über 25 Millionen Jahren in das Genom menschlicher Vorfahren eingebaut. Unter jüngeren endogenen Retroviren beim Menschen wurden bisher keine nützlichen gefunden.
Entschlüsselung des Genoms des Neandertalers
Das Neandertaler-Genom kommt in seiner Größe dem Genom des modernen Menschen nahe. Vorläufige Ergebnisse zeigen, dass die DNA von modernen Menschen und Neandertalern zu etwa 99,5 % identisch ist.
Forscher haben fossile DNA extrahiertNeandertaler aus dem Oberschenkelknochen eines Neandertaler-Skeletts vor 38.000 Jahren aus der Vindia-Höhle in Kroatien sowie aus anderen in Spanien, Russland und Deutschland gefundenen Knochen. Unter Verwendung der DNA-Sequenzen von Schimpansen und menschlichen Mitochondrien als Referenzpunkte berechneten die Wissenschaftler, dass das Datum der Diskrepanz zwischen der mtDNA von Mensch und Neandertaler 660.000 ± 140.000 Jahre beträgt.
In den Genomen der letzten europäischen Neandertaler ausHöhlen Vindia, Mezmaiskaya (Mezmaiskaya 2), Goye und Le Cotte, die ca. lebten. 45-39 Tausend Liter. N. Nach der Ankunft der Sapiens in Europa wurde keine Beimischung von Cro-Magnon-Genen festgestellt.
Vergleich der Genome des späten Neandertalers mitDas Genom eines älteren Neandertalers aus dem Kaukasus (Mezmaiskaya 1) zeigte, dass es gegen Ende der Neandertaler-Geschichte wahrscheinlich zu einem Wechsel der Neandertaler-Populationen entweder im Kaukasus oder in ganz Europa kam.
Der Großteil der Neandertaler-Gene floss früh einHomo sapiensstammte von einem oder mehreren OriginalenPopulationen von Neandertalern, die sich vor mindestens 90.000 Jahren von den letzten Neandertalern unterschieden. n., aber nachdem sie sich vor etwa 150.000 Jahren von einem zuvor sequenzierten Neandertaler aus Sibirien (Altai-Neandertaler) abgespalten hatten.
Wessen Gene haben wir geerbt?
- Denisoviten
Moderne Menschen kreuzten sich zweimal mit Denisova-Menschen. Amerikanische Genetiker fanden heraus, dass sie die DNA von 5.639 Einwohnern Eurasiens und Ozeaniens analysierten.
Wie es in einem in der Zeitschrift veröffentlichten Artikel heißtZelle,Wissenschaftler haben herausgefunden, dass sich die Vorfahren der Bewohner des modernen China und Japans mit Denisova-Menschen aus zwei Populationen vermischten – der Altai und einer unbekannten zweiten.
Neandertaler und Denisova-Menschen gelten als getrenntArten (nach einer anderen Version - Unterarten) alter Menschen. Neandertaler lebten in Europa und Zentralasien und starben vor etwa 30.000 Jahren aus und hinterließen zahlreiche Überreste und Artefakte.
Über Denisovaner ist viel weniger bekannt.Es gibt praktisch keine Spuren von ihnen (bisher wurden nur drei Backenzähne und eine Phalanx eines Fingers entdeckt), die an einem Ort gefunden wurden - der Denisova-Höhle im Altai. Tatsächlich wurde durch die Genetik eine neue Art von Menschen entdeckt, die DNA aus der Phalanx eines Fingers sequenzierten und signifikante Unterschiede im mitochondrialen und nuklearen Genom gegenüber den Genomen moderner Menschen und Neandertaler feststellten.
- Neandertaler
Das Genom von Neandertalern und modernen Menschenunterscheidet sich um 0,16 %. Einerseits sind die Unterschiede gering. Andererseits können Sie sehen, welche Gene beim modernen Menschen vorhanden sind, bei Schimpansen und Neandertalern jedoch fehlen.
Dies sind hypothetische Elemente, die es nicht sindvon einem gemeinsamen Vorfahren geerbt und erschien erst nach der Divergenz der Zweige des modernen Menschen und des Neandertalers. Es gab 78 solcher rein modernen Elemente - Nukleotidsubstitutionen in Genen. Einige dieser Nukleotidsubstitutionen können neutral sein (sie könnten aufgrund üblicher demografischer Prozesse, Engpässe usw. behoben werden), während andere möglicherweise eine adaptive Bedeutung haben.
Es gab also 5 solcher Gene, die mitgenommen wurdenmehrere dieser Nukleotidsubstitutionen. Diese Gene und dementsprechend diese Mutationen sind offensichtlich für moderne Menschen anpassungsfähig, sonst hätte die Evolution ihnen nicht so große Aufmerksamkeit geschenkt. Dies sind Gene, die mit Hautfunktionen, geistiger Aktivität, Energiestoffwechsel verbunden sind.
Wie hat sich der Genpool auf die menschliche Bevölkerung ausgewirkt?
In 2010Neandertaler Kerngenomwurde zum ersten Mal vollständig untersucht. Die genetische Spur dieser Art wird sehr oft neu berechnet. Populationsgenetikvon der University of WashingtonBenjamin VernottUndJoshua Eki Die Forschung und der neue Ansatz ermöglichten es den Autoren, alle Sequenzen der Neandertaler-DNA, die in modernen Genomen verborgen sind, "herauszuziehen".
Sie kamen zu dem Schluss, dass im Genpool der ModerneIn europäischen und asiatischen Populationen zirkulieren insgesamt etwa 20 % des Neandertaler-Genoms. Neandertaler-Sequenzen im Genom moderner Menschen sind recht kurz – dies erklärt sich aus der Tatsache, dass seit der Hybridisierung mit Neandertalern viel Zeit vergangen ist und lange Sequenzen unterbrochen wurdenRekombinationen(Austausch von Abschnitten zwischen verschiedenen Chromosomen).
26% aller kodierenden Proteine enthalten auch Neandertaler-Allele.
Gene in Keratinozyten (Hautzellen): Sie werden für eine verbesserte Pigmentierung oder Anpassung benötigt. Und die Region auf dem siebten Chromosom, die das Gen enthielt, half bei der Entwicklung der menschlichen Sprache.
Neueste wissenschaftliche Fortschritte
- Das älteste europäische Genom wurde rekonstruiert
Wissenschaftler des genetischen Labors des Max-Planck-Instituts für Menschheitsgeschichte in Deutschland haben das älteste europäische Genom rekonstruiert.
Für die Studie wurde Material aus einem etwa 45.000 Jahre alten Schädel entnommen, der in der Stadt Zlata Kun in der Tschechischen Republik gefunden wurde. Es gehörte einer Frau.
Es stellte sich heraus, dass das Genom von Zlata Kun enthältUngefähr die gleiche Menge an Neandertaler-DNA wie bei anderen modernen Menschen, etwa 2-3 %, aber die Neandertaler-Gensegmente selbst sind bei ihm viel länger als bei allen anderen.
Nach Angaben der Autoren der Arbeit ist die DNA dieser Frau nicht vorhandengefunden bei Menschen, die später in Europa oder Asien lebten. Dies lässt darauf schließen, dass moderne Menschen bereits vor 47.000 bis 43.000 Jahren in Südosteuropa lebten.
- Neuer Mechanismus der Genregulation
Eine Gruppe von Wissenschaftlern aus Russland untersuchte die Rolle doppelsträngiger Fragmente reifender RNA und zeigte, dass die Interaktion zwischen ihren entfernten Teilen die Genexpression regulieren kann.
RNA hat zwei Strukturen – primäre und sekundäre.Die Primärstruktur von Nukleinsäuren bezieht sich auf die Reihenfolge und Reihenfolge der Anordnung von Mononukleotiden in der Polynukleotidkette der RNA. Eine solche Kette wird durch 3′,5′-Phosphodiesterbindungen stabilisiert. Sekundärstruktur wiederum ist die Konformationsanordnung der Hauptkette eines Makromoleküls (zum Beispiel einer Polypeptidkette eines Proteins oder einer Kette von Nukleinsäuren), unabhängig von der Konformation der Seitenketten oder der Beziehung zu anderen Segmenten.
Bei der Beschreibung der Sekundärstruktur ist es wichtig, die Wasserstoffbrücken zu bestimmen, die einzelne Fragmente von Makromolekülen stabilisieren.
Dank des neuen Jobs stellte sich heraus, dass der sekundäreDie Struktur spielt eine wichtige Rolle bei der Reifung informationstragender RNA-Moleküle und insbesondere beim Spleißen. Dies ist ein Prozess, bei dem die nichtkodierenden Regionen herausgeschnitten und die kodierenden Regionen zusammengenäht werden (wie bei der Reifung von RNA-Molekülen). Wissenschaftler haben gezeigt, dass RNA-Sekundärstrukturen das Spleißen regulieren und somit mehr zur Genregulation beitragen können als bisher angenommen.
- CRISPR / Cas9-System
Der größte Durchbruch des Jahrzehnts war das CRISPR/Cas9-System, für das seine Schöpfer Jennifer Doudna und Emmanuelle Charpentier 2020 den Nobelpreis für Chemie erhielten.
CRISPR / Cas9 ist eine Methode zur Bearbeitung des GenomsHohe Genauigkeit, mit der Sie die Gene lebender Mikroorganismen, einschließlich des Menschen, verändern können. Und mit seiner Hilfe gibt es Chancen, Methoden zur Bekämpfung von HIV und anderen Krankheiten zu entwickeln, die heute wie ein Satz klingen.
- Gentechnisch veränderte Kinder
Im Jahr 2018 wurden geborengentechnisch veränderte Kinder - Mädchen Lulu und Nana. Die Zygote wurde unter Verwendung von IVF (In-vitro-Fertilisation) erhalten, mit CRISPR / Cas9 genetisch verändert und in die Gebärmutter der Frau implantiert, die die Mädchen zur Welt brachte.
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