Ανθρώπινο γονιδίωμα
Αυτό είναι το σύνολο του κληρονομικού υλικού που περιέχεται σε ένα ανθρώπινο κύτταρο. Ο άνθρωπος
Είκοσι δύο αυτόσωμα, δύο χρωμοσώματα φύλου Χ και Υ και ανθρώπινο μιτοχονδριακό DNA περιέχουν περίπου 3,1 δισεκατομμύρια ζεύγη βάσεων.
Κατά την υλοποίηση του Έργου Ανθρώπινου Γονιδιώματος υπήρξεπροσδιορίστηκε η αλληλουχία DNA όλων των χρωμοσωμάτων και του μιτοχονδριακού DNA. Επί του παρόντος, αυτά τα δεδομένα χρησιμοποιούνται ενεργά σε όλο τον κόσμο στη βιοϊατρική έρευνα.
Η πλήρης αλληλουχία αποκάλυψε ότι ο άνθρωποςτο γονιδίωμα περιέχει 20-25 χιλιάδες ενεργά γονίδια, το οποίο είναι σημαντικά λιγότερο από το αναμενόμενο στην αρχή του έργου (περίπου 100 χιλιάδες) - δηλαδή, μόνο το 1,5% του συνολικού γενετικού υλικού κωδικοποιεί πρωτεΐνες ή λειτουργικό RNA.
Το υπόλοιπο είναι μη κωδικοποιητικό DNA, συχνά αναφέρεται ως ανεπιθύμητο DNA, αλλά έχει αποδειχθεί ότι παίζει σημαντικό ρόλο στη ρύθμιση της γονιδιακής δραστηριότητας.
Χαρακτηριστικά του ανθρώπινου γονιδίου
- Χρωμοσώματα
Υπάρχουν 23 ζεύγη χρωμοσωμάτων στο γονιδίωμα:22 ζεύγη αυτοσωμικών χρωμοσωμάτων, καθώς και ένα ζεύγος χρωμοσωμάτων φύλου Χ και Υ. Στους ανθρώπους, το αρσενικό φύλο είναι ετερογαμικό και προσδιορίζεται από την παρουσία ενός χρωμοσώματος Υ. Τα φυσιολογικά διπλοειδή σωματικά κύτταρα έχουν 46 χρωμοσώματα.
- Γονίδια
Οι προκαταρκτικές εκτιμήσεις πρότειναν την παρουσία τουτο ανθρώπινο γονιδίωμα έχει περισσότερα από 100 χιλιάδες γονίδια. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα του προγράμματος Human Genome, ο αριθμός των γονιδίων, ή μάλλον ανοιχτών πλαισίων ανάγνωσης, ανήλθε σε περίπου 28.000 γονίδια. Σε σχέση με τη βελτίωση των μεθόδων αναζήτησης (πρόβλεψης) γονιδίων, αναμένεται περαιτέρω μείωση του αριθμού των γονιδίων.
Ο αριθμός των γονιδίων στον άνθρωπο είναι ελαφρώς μεγαλύτερος από ό,τι σε απλούστερους οργανισμούς, όπως ο στρογγυλός σκώληκας.Caenorhabditis elegansή μύγεςDrosophila melanogaster. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι το εναλλακτικό μάτισμα αντιπροσωπεύεται ευρέως στο ανθρώπινο γονιδίωμα. Το εναλλακτικό μάτισμα σάς επιτρέπει να λαμβάνετε πολλές διαφορετικές πρωτεϊνικές αλυσίδες από ένα γονίδιο.
Ως αποτέλεσμα, το ανθρώπινο πρωτεόμη αποδεικνύεταιπολύ μεγαλύτερο από το πρωτότυπο των εξεταζόμενων οργανισμών. Τα περισσότερα ανθρώπινα γονίδια έχουν πολλαπλά εξόνια και τα ιντρόνια είναι συχνά σημαντικά μακρύτερα από τα οριακά εξόνια ενός γονιδίου.
- Ρυθμιστικές ακολουθίες
Το ανθρώπινο γονιδίωμα περιέχει πολλά διαφορετικάαλληλουχίες υπεύθυνες για τη γονιδιακή ρύθμιση. Ο κανονισμός αναφέρεται στον έλεγχο της γονιδιακής έκφρασης (η διαδικασία κατασκευής αγγελιαφόρου RNA κατά μήκος ενός τμήματος ενός μορίου DNA).
Αυτές είναι συνήθως μικρές ακολουθίες,βρίσκεται είτε δίπλα στο γονίδιο είτε εντός του γονιδίου. Μερικές φορές βρίσκονται σε σημαντική απόσταση από το γονίδιο (ενισχυτές). Η συστηματοποίηση αυτών των ακολουθιών, η κατανόηση των μηχανισμών εργασίας, καθώς και θέματα αμοιβαίας ρύθμισης μιας ομάδας γονιδίων από μια ομάδα αντίστοιχων ενζύμων βρίσκονται επί του παρόντος μόνο στο αρχικό στάδιο της μελέτης.
Η αμοιβαία ρύθμιση ομάδων γονιδίων περιγράφεται μεχρησιμοποιώντας γονιδιακά ρυθμιστικά δίκτυα. Η μελέτη αυτών των θεμάτων βρίσκεται στη διασταύρωση πολλών κλάδων: εφαρμοσμένα μαθηματικά, υπολογιστές υψηλής απόδοσης και μοριακή βιολογία. Η γνώση προέρχεται από συγκρίσεις των γονιδιωμάτων διαφορετικών οργανισμών και από την πρόοδο στην τεχνητή μεταγραφή γονιδίων στο εργαστήριο.
Προσδιορισμός ρυθμιστικών ακολουθιών σεΤο ανθρώπινο γονιδίωμα παρήχθη εν μέρει με βάση την εξελικτική διατήρηση (την ιδιότητα της διατήρησης σημαντικών θραυσμάτων της χρωμοσωμικής αλληλουχίας που εξυπηρετούν περίπου την ίδια λειτουργία).
Σύμφωνα με το μοριακό ρολόι, εξελικτικόοι γραμμές ανθρώπου και ποντικιού χωρίστηκαν περίπου 100 εκατομμύρια χρόνια πριν. Για δύο γονιδιώματα, οι μέθοδοι υπολογιστών αποκάλυψαν συντηρητικές αλληλουχίες (αλληλουχίες που είναι πανομοιότυπες ή πολύ ελαφρώς διαφορετικές στα συγκριτικά γονιδιώματα) στο μη κωδικοποιητικό μέρος και αποδείχθηκε ότι εμπλέκονται ενεργά στους μηχανισμούς ρύθμισης γονιδίων και στους δύο οργανισμούς.
Μια άλλη προσέγγιση για τη λήψη κανονιστικών ρυθμίσεωνΟι ακολουθίες βασίζονται σε σύγκριση των γονιδίων των ανθρώπων και των ψαριών. Οι γονιδιακές αλληλουχίες και οι ρυθμιστικές αλληλουχίες σε ανθρώπους και ψάρια puffer είναι ουσιαστικά παρόμοιες, αλλά το γονιδίωμα ψαριού puffer περιέχει 8 φορές λιγότερο "άχρηστο DNA". Αυτή η «συμπύκνωση» του γονιδιώματος των ψαριών καθιστά πολύ πιο εύκολη την αναζήτηση ρυθμιστικών αλληλουχιών για γονίδια.
- Άλλα αντικείμενα στο γονιδίωμα
Αλληλουχίες κωδικοποίησης πρωτεϊνών (πολλέςαλληλουχίες που αποτελούν εξόνια) αποτελούν λιγότερο από το 1,5% του γονιδιώματος. Χωρίς να λαμβάνονται υπόψη γνωστές ρυθμιστικές αλληλουχίες, το ανθρώπινο γονιδίωμα περιέχει πολλά αντικείμενα που μοιάζουν με κάτι σημαντικό, αλλά η λειτουργία των οποίων, αν υπάρχει, δεν έχει ακόμη διευκρινιστεί.
Αυτά τα αντικείμενα καταλαμβάνουν έως και 97% του συνολικού όγκου του ανθρώπινου γονιδιώματος. Τέτοια αντικείμενα περιλαμβάνουν:
- Ιοί
Περίπου το 1% του ανθρώπινου γονιδιώματος καταλαμβάνεται από ενσωματωμένογονίδια ρετροϊών (ενδογενείς ρετροϊοί). Αυτά τα γονίδια συνήθως δεν ωφελούν τον ξενιστή, αλλά υπάρχουν και εξαιρέσεις. Έτσι, πριν από περίπου 43 εκατομμύρια χρόνια, γονίδια ρετροϊών που χρησίμευαν για την κατασκευή του κελύφους του ιού εισήλθαν στο γονιδίωμα των προγόνων των πιθήκων και των ανθρώπων. Στους ανθρώπους και τους πιθήκους, αυτά τα γονίδια εμπλέκονται στη λειτουργία του πλακούντα.
Οι περισσότεροι ρετροϊοί ενσωματώθηκαν στο γονιδίωμα των ανθρώπινων προγόνων πριν από 25 εκατομμύρια χρόνια. Μεταξύ των νεότερων ανθρώπινων ενδογενών ρετροϊών, κανένα ευεργετικό δεν έχει βρεθεί μέχρι στιγμής.
Αποκωδικοποίηση του γονιδιώματος του Νεάντερταλ
Το γονιδίωμα του Νεάντερταλ είναι κοντά σε μέγεθος με το γονιδίωμα του σύγχρονου ανθρώπου. Τα προκαταρκτικά αποτελέσματα δείχνουν ότι το DNA του σύγχρονου ανθρώπου και των Νεάντερταλ είναι περίπου 99,5% πανομοιότυπο.
Οι ερευνητές έχουν εξαγάγει απολιθωμένο DNAΆνθρωπος Νεάντερταλ από το μηρό του σκελετού του Νεάντερταλ πριν από 38.000 χρόνια από το σπήλαιο Βίντια στην Κροατία, καθώς και από άλλα οστά που βρέθηκαν στην Ισπανία, τη Ρωσία και τη Γερμανία. Χρησιμοποιώντας τις ακολουθίες χιμπατζή και ανθρώπινου μιτοχονδριακού DNA ως σημεία αναφοράς, οι επιστήμονες υπολόγισαν ότι η ημερομηνία της απόκλισης μεταξύ ανθρώπινου και Νεάντερταλ mtDNA είναι 660.000 ± 140.000 χρόνια.
Στα γονιδιώματα των τελευταίων Ευρωπαίων Νεάντερταλ απόσπηλιές Vindia, Mezmaiskaya (Mezmaiskaya 2), Goye και Le Cotte, που έζησε περίπου. 45-39 χιλιάδες λίτρα. n. Μετά την άφιξη των σάπιενς στην Ευρώπη, δεν βρέθηκε καμία πρόσμιξη γονιδίων Cro-Magnon.
Σύγκριση γονιδιωμάτων του ύστερου Νεάντερταλ μεΤο γονιδίωμα ενός ηλικιωμένου Νεάντερταλ από τον Καύκασο (Mezmaiskaya 1) έδειξε ότι προς το τέλος της ιστορίας του Νεάντερταλ υπήρχε πιθανώς μια εναλλαγή πληθυσμών του Νεάντερταλ είτε στον Καύκασο είτε σε ολόκληρη την Ευρώπη.
Ο κύριος όγκος των γονιδίων του Νεάντερταλ ρέει νωρίςHomo sapiensπροήλθε από ένα ή περισσότερα πρωτότυπαπληθυσμοί Νεάντερταλ που αποκλίνονταν από τους τελευταίους Νεάντερταλ τουλάχιστον πριν από 90 χιλιάδες χρόνια. n., αλλά αφού χωρίστηκαν από έναν Νεάντερταλ που είχε προηγουμένως ακολουθήσει από τη Σιβηρία (Altai Neandertal) πριν από περίπου 150 χιλιάδες χρόνια.
Ποιανού γονιδίου έχουμε κληρονομήσει;
- Denisovites
Οι σύγχρονοι άνθρωποι διασταυρώθηκαν με τους Ντενίσοβαν δύο φορές, Αμερικανοί γενετιστές ανακάλυψαν ότι ανέλυσαν το DNA 5.639 κατοίκων της Ευρασίας και της Ωκεανίας.
Όπως αναφέρεται σε άρθρο που δημοσιεύτηκε στο περιοδικόΚύτταρο,Οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι οι πρόγονοι των κατοίκων της σύγχρονης Κίνας και Ιαπωνίας διασταυρώθηκαν με Denisovans από δύο πληθυσμούς - το Altai και έναν άγνωστο δεύτερο.
Οι Νεάντερταλ και οι Ντενίσοβα θεωρούνται ξεχωριστοίείδη (σύμφωνα με άλλη εκδοχή - υποείδη) αρχαίων ανθρώπων. Οι Νεάντερταλ έζησαν στην Ευρώπη και την Κεντρική Ασία και πέθαναν πριν από περίπου 30 χιλιάδες χρόνια, αφήνοντας πολλά υπολείμματα και αντικείμενα.
Πολύ λιγότερο είναι γνωστό για τους Denisovans.Πρακτικά δεν υπάρχουν ίχνη τους (μέχρι στιγμής έχουν ανακαλυφθεί μόνο τρεις γομφίοι και μια φάλαγγα ενός δακτύλου), τα οποία βρέθηκαν σε ένα μέρος - το σπήλαιο Denisova στο Altai. Στην πραγματικότητα, ένα νέο είδος ανθρώπων ανακαλύφθηκε από τη γενετική, προσδιορίζοντας το DNA από τη φάλαγγα του δακτύλου και βρίσκοντας σημαντικές διαφορές στα μιτοχονδριακά και πυρηνικά γονιδιώματα από τα γονιδιώματα των σύγχρονων ανθρώπων και των Νεάντερταλ.
- Νεάντερταλ
Το γονιδίωμα των Νεάντερταλ και των σύγχρονων ανθρώπωνδιαφέρει κατά 0,16%. Από τη μια οι διαφορές είναι μικρές. Από την άλλη πλευρά, μπορείτε να δείτε ποια γονίδια υπάρχουν στους σύγχρονους ανθρώπους αλλά απουσιάζουν τόσο στους χιμπατζήδες όσο και στους Νεάντερταλ.
Αυτά είναι υποθετικά στοιχεία που δεν είναικληρονόμησε από έναν κοινό πρόγονο και εμφανίστηκε μόνο μετά την απόκλιση των κλάδων των σύγχρονων ανθρώπων και του Νεάντερταλ. Υπήρχαν 78 τέτοια αμιγώς σύγχρονα στοιχεία - υποκαταστάσεις νουκλεοτιδίων σε γονίδια. Μερικές από αυτές τις υποκαταστάσεις νουκλεοτιδίων μπορεί να είναι ουδέτερες (θα μπορούσαν να διορθωθούν ως αποτέλεσμα συνήθων δημογραφικών διεργασιών, συμφόρησης κλπ.), Ενώ άλλες μπορεί να έχουν προσαρμοστική σημασία.
Έτσι, υπήρχαν 5 τέτοια γονίδια που μετέφεραναρκετές από αυτές τις υποκαταστάσεις νουκλεοτιδίων. Αυτά τα γονίδια και, κατά συνέπεια, αυτές οι μεταλλάξεις είναι προφανώς προσαρμοστικές για τους σύγχρονους ανθρώπους, διαφορετικά η εξέλιξη δεν θα τους είχε δώσει τόσο μεγάλη προσοχή. Αυτά είναι γονίδια που σχετίζονται με τις λειτουργίες του δέρματος, την πνευματική δραστηριότητα, τον ενεργειακό μεταβολισμό /
Как генофонд повлиял на человеческую популяцию?
Το 2010Νεάντερταλ πυρηνικό γονιδίωμαμελετήθηκε πλήρως για πρώτη φορά. Το γενετικό ίχνος αυτού του είδους επανυπολογίζεται πολύ συχνά. Γενετική πληθυσμούαπό το Πανεπιστήμιο της ΟυάσιγκτονΜπέντζαμιν ΒέρνοτΚαιΤζόσουα Έκι ξεκίνησε την έρευνα και η νέα προσέγγιση επέτρεψε στους συγγραφείς να «βγάλουν» όλες τις ακολουθίες του Νεάντερταλ DNA που κρύβονται στα σύγχρονα γονιδιώματα.
Κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι στη γονιδιακή δεξαμενή του σύγχρονουΣτους ευρωπαϊκούς και ασιατικούς πληθυσμούς κυκλοφορεί συνολικά περίπου το 20% του γονιδιώματος του Νεάντερταλ. Οι αλληλουχίες του Νεάντερταλ στο γονιδίωμα των σύγχρονων ανθρώπων είναι αρκετά σύντομες - αυτό εξηγείται από το γεγονός ότι έχει περάσει πολύς χρόνος από τον υβριδισμό με τους Νεάντερταλ και οι μεγάλες ακολουθίες έχουν σπάσειανασυνδυασμοί(ανταλλαγή τομών μεταξύ διαφορετικών χρωμοσωμάτων).
Το 26% όλων των κωδικοποιητικών πρωτεϊνών περιέχουν επίσης αλληλόμορφα Νεάντερταλ.
Γονίδια στα κερατινοκύτταρα (κύτταρα του δέρματος): χρειάζονται για βελτιωμένη χρώση ή προσαρμογή. Και η περιοχή στο έβδομο χρωμόσωμα που περιέχει το γονίδιο βοήθησε στην ανάπτυξη της ανθρώπινης ομιλίας.
Τελευταίες επιστημονικές εξελίξεις
- Το αρχαιότερο ευρωπαϊκό γονιδίωμα έχει ανακατασκευαστεί
Επιστήμονες από το γενετικό εργαστήριο του Ινστιτούτου Max Planck για την Ιστορία της Ανθρωπότητας στη Γερμανία ανακατασκεύασαν το παλαιότερο ευρωπαϊκό γονιδίωμα.
Για τη μελέτη, το υλικό ελήφθη από ένα κρανίο ηλικίας περίπου 45 χιλιάδων ετών, που βρέθηκε στην πόλη Zlaty Kun στην Τσεχική Δημοκρατία. Ανήκε σε γυναίκα.
Αποδείχθηκε ότι το γονιδίωμα από το Zlata Kun περιέχειπερίπου την ίδια ποσότητα DNA του Νεάντερταλ με άλλους σύγχρονους ανθρώπους, περίπου 2-3%, αλλά τα ίδια τα τμήματα γονιδίου του Νεάντερταλ είναι πολύ μεγαλύτερα σε αυτόν από ό,τι σε όλους τους άλλους.
Σύμφωνα με τους συγγραφείς του έργου, το DNA αυτής της γυναίκας δεν είναιβρέθηκε σε ανθρώπους που έζησαν αργότερα στην Ευρώπη ή την Ασία. Αυτό υποδηλώνει ότι οι σύγχρονοι άνθρωποι ήταν παρόντες στη νοτιοανατολική Ευρώπη ήδη πριν από 47-43 χιλιάδες χρόνια.
- Νέος μηχανισμός ρύθμισης γονιδίων
Μια ομάδα επιστημόνων από τη Ρωσία μελέτησε τον ρόλο των δίκλωνων θραυσμάτων ωριμαζόμενου RNA και έδειξε ότι η αλληλεπίδραση μεταξύ των απομακρυσμένων τμημάτων του μπορεί να ρυθμίσει την έκφραση γονιδίων.
Το RNA έχει δύο δομές - πρωτογενή και δευτερογενή.Η πρωτογενής δομή των νουκλεϊκών οξέων αναφέρεται στη σειρά και την αλληλουχία της διάταξης των μονονουκλεοτιδίων στην πολυνουκλεοτιδική αλυσίδα του RNA. Μια τέτοια αλυσίδα σταθεροποιείται με 3',5'-φωσφοδιεστερικούς δεσμούς. Με τη σειρά της, η δευτερογενής δομή είναι η διαμορφωτική διάταξη της κύριας αλυσίδας ενός μακρομορίου (για παράδειγμα, μια πολυπεπτιδική αλυσίδα μιας πρωτεΐνης ή μια αλυσίδα νουκλεϊκών οξέων), ανεξάρτητα από τη διαμόρφωση των πλευρικών αλυσίδων ή τη σχέση με άλλα τμήματα.
Κατά την περιγραφή της δευτερογενούς δομής, είναι σημαντικό να προσδιοριστούν οι δεσμοί υδρογόνου που σταθεροποιούν μεμονωμένα θραύσματα μακρομορίων.
Χάρη στη νέα δουλειά, αποδείχθηκε ότι η δευτερεύουσαΗ δομή διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στην ωρίμανση των μορίων RNA που φέρουν πληροφορίες, και ιδιαίτερα στη σύνδεση. Αυτή είναι μια διαδικασία στην οποία οι μη κωδικοποιητικές περιοχές αποκόπτονται και οι περιοχές κωδικοποίησης συρράπτονται μαζί (όπως στην ωρίμανση των μορίων RNA). Οι επιστήμονες έχουν δείξει ότι οι δευτερογενείς δομές RNA μπορούν να ρυθμίσουν το μάτισμα και συνεπώς να συμβάλλουν περισσότερο στη γονιδιακή ρύθμιση από ό, τι πιστεύεται προηγουμένως.
- Σύστημα CRISPR / Cas9
Η μεγαλύτερη ανακάλυψη της δεκαετίας ήταν το σύστημα CRISPR/Cas9, για το οποίο οι δημιουργοί του, Jennifer Doudna και Emmanuelle Charpentier, έλαβαν το Νόμπελ Χημείας 2020.
Το CRISPR / Cas9 είναι μια μέθοδος επεξεργασίας γονιδιώματοςυψηλή ακρίβεια, επιτρέποντάς σας να αλλάξετε τα γονίδια των ζωντανών μικροοργανισμών, συμπεριλαμβανομένων των ανθρώπων. Και με τη βοήθειά του υπάρχουν πιθανότητες να δημιουργηθούν μέθοδοι καταπολέμησης του HIV και άλλων ασθενειών, που σήμερα ακούγονται σαν πρόταση.
- Γενετικά τροποποιημένα παιδιά
Το 2018 γεννήθηκανγενετικά τροποποιημένα παιδιά - κορίτσια Lulu και Nana. Το ζυγωτό αποκτήθηκε με εξωσωματική γονιμοποίηση (εξωσωματική γονιμοποίηση), τροποποιήθηκε γενετικά με CRISPR / Cas9 και εμφυτεύτηκε στη μήτρα της γυναίκας που γέννησε τα κορίτσια.
Διαβάστε περισσότερα:
Οι πυρηνικές αντιδράσεις εντάθηκαν στον αντιδραστήρα του πυρηνικού σταθμού του Τσερνομπίλ
Οι επιστήμονες έχουν δείξει πώς μια μαύρη τρύπα διαλύει ένα αστέρι
Οι φυσικοί έχουν δημιουργήσει ένα ανάλογο μιας μαύρης τρύπας και επιβεβαίωσαν τη θεωρία του Hawking. Πού οδηγεί;