Genoma umano
Questa è la totalità del materiale ereditario contenuto in una cellula umana. Umano
Ventidue autosomi, due cromosomi sessuali X e Y e il DNA mitocondriale umano contengono insieme circa 3,1 miliardi di paia di basi.
Durante l'attuazione del Progetto Genoma Umano c'eraè stata determinata la sequenza del DNA di tutti i cromosomi e del DNA mitocondriale. Attualmente, questi dati vengono utilizzati attivamente in tutto il mondo nella ricerca biomedica.
Il sequenziamento completo ha rivelato che era umanoil genoma contiene 20-25mila geni attivi, un numero significativamente inferiore a quello previsto all'inizio del progetto (circa 100mila), ovvero solo l'1,5% del materiale genetico totale codifica per proteine o RNA funzionale.
Il resto è DNA non codificante, spesso indicato come DNA spazzatura, ma che ha dimostrato di svolgere un ruolo importante nella regolazione dell'attività genica.
Caratteristiche del gene umano
- Cromosomi
Ci sono 23 coppie di cromosomi nel genoma:22 coppie di cromosomi autosomici, oltre a una coppia di cromosomi sessuali X e Y. Negli esseri umani, il sesso maschile è eterogamico ed è determinato dalla presenza di un cromosoma Y. Le cellule somatiche diploidi normali hanno 46 cromosomi.
- Geni
Stime preliminari hanno suggerito la presenza diil genoma umano ha più di 100mila geni. Secondo i risultati del progetto Human Genome, il numero di geni, o meglio open reading frames, ammontava a circa 28.000 geni. In connessione con il miglioramento dei metodi per la ricerca (previsione) dei geni, è prevista un'ulteriore diminuzione del numero di geni.
Il numero di geni negli esseri umani è solo leggermente maggiore rispetto a quello degli organismi più semplici, come i nematodi.Caenorhabditis eleganso moscheDrosophila melanogaster. Ciò è dovuto al fatto che lo splicing alternativo è ampiamente rappresentato nel genoma umano. Lo splicing alternativo consente di ottenere diverse catene proteiche da un gene.
Di conseguenza, il proteoma umano risulta esseremolto più grande del proteoma degli organismi considerati. La maggior parte dei geni umani ha più esoni e gli introni sono spesso significativamente più lunghi degli esoni di confine in un gene.
- Sequenze normative
Il genoma umano ne contiene molti diversisequenze responsabili della regolazione genica. La regolazione si riferisce al controllo dell'espressione genica (il processo di costruzione dell'RNA messaggero lungo una sezione di una molecola di DNA).
Di solito sono sequenze brevi,situato vicino al gene o all'interno del gene. A volte si trovano a una distanza considerevole dal gene (potenziatori). La sistematizzazione di queste sequenze, la comprensione dei meccanismi di lavoro, nonché i problemi di regolazione reciproca di un gruppo di geni da parte di un gruppo di enzimi corrispondenti sono attualmente solo nella fase iniziale dello studio.
La regolazione reciproca di gruppi di geni è descritta conutilizzando reti di regolazione genetica. Lo studio di queste problematiche si trova all'intersezione di diverse discipline: matematica applicata, calcolo ad alte prestazioni e biologia molecolare. La conoscenza deriva dal confronto dei genomi di diversi organismi e dai progressi nella trascrizione genetica artificiale in laboratorio.
Individuazione delle sequenze regolatorie inIl genoma umano è stato in parte prodotto sulla base della conservazione evolutiva (la proprietà di conservare importanti frammenti della sequenza cromosomica che svolgono all'incirca la stessa funzione).
Secondo l'orologio molecolare, evolutivole linee umane e dei topi si sono divise circa 100 milioni di anni fa. Per due genomi, i metodi informatici hanno rivelato sequenze conservative (sequenze che sono identiche o leggermente diverse nei genomi confrontati) nella parte non codificante e si è scoperto che sono attivamente coinvolte nei meccanismi di regolazione genica in entrambi gli organismi.
Un altro approccio per ottenere normativeLe sequenze si basano su un confronto dei geni dell'uomo e del pesce palla. Le sequenze geniche e le sequenze regolatorie negli esseri umani e nei pesci palla sono sostanzialmente simili, ma il genoma del pesce palla contiene 8 volte meno "DNA spazzatura". Questa "compattezza" del genoma del pesce rende molto più facile la ricerca di sequenze regolatorie per i geni.
- Altri oggetti nel genoma
Sequenze codificanti proteine (moltesequenze che compongono gli esoni) costituiscono meno dell'1,5% del genoma. Senza tenere conto delle sequenze regolatrici conosciute, il genoma umano contiene molti oggetti che sembrano qualcosa di importante, ma la cui funzione, se esiste, non è stata ancora chiarita.
Questi oggetti occupano fino al 97% del volume totale del genoma umano. Tali oggetti includono:
- Virus
Circa l'1% del genoma umano è occupato da built-ingeni dei retrovirus (retrovirus endogeni). Questi geni di solito non apportano benefici all’ospite, ma ci sono delle eccezioni. Così, circa 43 milioni di anni fa, i geni retrovirali che servivano a costruire l’involucro del virus entrarono nel genoma degli antenati delle scimmie e degli esseri umani. Negli esseri umani e nelle scimmie, questi geni sono coinvolti nel funzionamento della placenta.
La maggior parte dei retrovirus sono stati incorporati nel genoma degli antenati umani oltre 25 milioni di anni fa. Tra i retrovirus endogeni umani più giovani, finora non sono stati trovati benefici.
Decodificare il genoma dell'uomo di Neanderthal
Il genoma dell'uomo di Neanderthal è vicino per dimensioni al genoma dell'uomo moderno. I risultati preliminari mostrano che il DNA degli esseri umani moderni e dei Neanderthal è identico per circa il 99,5%.
I ricercatori hanno estratto il DNA fossileUomo di Neanderthal dal femore di uno scheletro di Neanderthal 38.000 anni fa dalla grotta di Vindia in Croazia, così come da altre ossa trovate in Spagna, Russia e Germania. Usando le sequenze di DNA mitocondriale di scimpanzé e umano come punti di riferimento, gli scienziati hanno calcolato che la data della discrepanza tra il mtDNA umano e quello di Neanderthal è di 660.000 ± 140.000 anni.
Nei genomi degli ultimi Neanderthal europei dagrotte Vindia, Mezmaiskaya (Mezmaiskaya 2), Goye e Le Cotte, che vissero ca. 45-39 mila l. N. Dopo l'arrivo del sapiens in Europa, non è stata trovata alcuna mescolanza di geni di Cro-Magnon.
Confronto dei genomi del tardo Neanderthal congenoma di un Neanderthal più antico del Caucaso (Mezmaiskaya 1) ha mostrato che verso la fine della storia dei Neanderthal ci fu probabilmente un ricambio delle popolazioni di Neanderthal nel Caucaso o in tutta Europa.
La maggior parte del flusso genetico di Neanderthal è precoceHomo sapiensproveniva da uno o più originalipopolazioni di Neanderthal che si discostarono dagli ultimi Neanderthal almeno 90mila anni fa. n., ma dopo che si separarono da un Neanderthal precedentemente sequenziato della Siberia (Altai Neandertal) circa 150 mila anni fa.
Di chi abbiamo ereditato i geni?
- Denisovites
Gli esseri umani moderni si sono incrociati due volte con i Denisoviani, i genetisti americani hanno scoperto di aver analizzato il DNA di 5.639 abitanti dell'Eurasia e dell'Oceania.
Come si legge in un articolo pubblicato sulla rivistaCellula,Gli scienziati hanno scoperto che gli antenati degli abitanti della Cina moderna e del Giappone si sono incrociati con i Denisoviani di due popolazioni: gli Altai e un secondo sconosciuto.
Neanderthal e Denisoviani sono considerati separatispecie (secondo un'altra versione - sottospecie) di antichi popoli. I Neanderthal vissero in Europa e in Asia centrale e si estinsero circa 30mila anni fa, lasciando numerosi resti e manufatti.
Molto meno si sa dei Denisoviani.Non ce ne sono praticamente tracce (finora sono stati scoperti solo tre molari e una falange di un dito), che sono stati trovati in un posto: la grotta di Denisova in Altai. In realtà, un nuovo tipo di persone è stato scoperto dalla genetica, sequenziando il DNA dalla falange del dito e trovando differenze significative nei genomi mitocondriali e nucleari dai genomi degli umani moderni e dei Neanderthal.
- Neanderthal
Il genoma dell'uomo di Neanderthal e dell'uomo modernodifferisce dello 0,16%. Da un lato, le differenze sono piccole. D'altra parte, puoi vedere quali geni sono presenti negli esseri umani moderni ma assenti sia negli scimpanzé che nei Neanderthal.
Questi sono elementi ipotetici che non lo sonoereditato da un antenato comune e apparve solo dopo la divergenza dei rami degli umani moderni e dei Neanderthal. C'erano 78 di questi elementi puramente moderni - sostituzioni nucleotidiche nei geni. Alcune di queste sostituzioni nucleotidiche possono essere neutre (potrebbero essere fissate come risultato di normali processi demografici, colli di bottiglia, ecc.), Mentre altre possono anche avere un significato adattativo.
Quindi, c'erano 5 di questi geni che portarono avantimolte di queste sostituzioni nucleotidiche. Questi geni e, di conseguenza, queste mutazioni sono ovviamente adattativi per le persone moderne, altrimenti l'evoluzione non avrebbe prestato loro così tanta attenzione. Si tratta di geni associati alle funzioni della pelle, all'attività mentale, al metabolismo energetico /
In che modo il pool genetico ha influenzato la popolazione umana?
Nel 2010Genoma nucleare di Neanderthalè stato studiato integralmente per la prima volta. La traccia genetica di questa specie viene ricalcolata molto spesso. Genetica di popolazionedall'Università di WashingtonBenjamin VernottEJoshua Eki avviate le ricerche e il nuovo approccio ha permesso agli autori di "tirare fuori" tutte le sequenze di DNA di Neanderthal nascoste nei genomi moderni.
Sono giunti alla conclusione che nel pool genetico del modernoNelle popolazioni europee e asiatiche circola complessivamente circa il 20% del genoma di Neanderthal. Le sequenze di Neanderthal nel genoma degli esseri umani moderni sono piuttosto brevi - ciò è spiegato dal fatto che è passato molto tempo dall'ibridazione con i Neanderthal e che le lunghe sequenze sono state interrottericombinazioni(scambio di sezioni tra cromosomi diversi).
Il 26% di tutte le proteine codificanti contiene anche alleli di Neanderthal.
Geni nei cheratinociti (cellule della pelle): sono necessari per una migliore pigmentazione o adattamento. E la regione sul settimo cromosoma contenente il gene ha contribuito a sviluppare il linguaggio umano.
Ultimi progressi scientifici
- Il più antico genoma europeo è stato ricostruito
Gli scienziati del laboratorio genetico dell'Istituto Max Planck per la storia dell'umanità in Germania hanno ricostruito il più antico genoma europeo.
Per lo studio è stato prelevato materiale da un teschio di circa 45mila anni, ritrovato nella città di Zlata Kun nella Repubblica Ceca. Apparteneva a una donna.
Si è scoperto che il genoma di Zlata Kun contienecirca la stessa quantità di DNA di Neanderthal di altri esseri umani moderni, circa il 2-3%, ma i segmenti genetici di Neanderthal stessi sono molto più lunghi in lui che in chiunque altro.
Secondo gli autori dell'opera, il DNA di questa donna non lo ètrovato in persone che vissero più tardi in Europa o in Asia. Ciò suggerisce che gli esseri umani moderni fossero presenti nell’Europa sudorientale già 47-43 mila anni fa.
- Nuovo meccanismo di regolazione genica
Un gruppo di scienziati russi ha studiato il ruolo dei frammenti a doppio filamento dell'RNA in maturazione e ha dimostrato che l'interazione tra le sue parti distanti può regolare l'espressione genetica.
L'RNA ha due strutture: primaria e secondaria.La struttura primaria degli acidi nucleici si riferisce all'ordine e alla sequenza di disposizione dei mononucleotidi nella catena polinucleotidica dell'RNA. Tale catena è stabilizzata da legami 3′,5′-fosfodiestere. A sua volta, la struttura secondaria è la disposizione conformazionale della catena principale di una macromolecola (ad esempio, una catena polipeptidica di una proteina o una catena di acidi nucleici), indipendentemente dalla conformazione delle catene laterali o dalla relazione con altri segmenti.
Nel descrivere la struttura secondaria, è importante determinare i legami idrogeno che stabilizzano i singoli frammenti di macromolecole.
Grazie al nuovo lavoro, si è scoperto che il secondariola struttura gioca un ruolo importante nella maturazione delle molecole di RNA che trasportano informazioni, e specialmente nello splicing. Questo è un processo in cui le regioni non codificanti vengono asportate e le regioni codificanti vengono cucite insieme (come nella maturazione delle molecole di RNA). Gli scienziati hanno dimostrato che le strutture secondarie dell'RNA possono regolare lo splicing e quindi contribuire alla regolazione genica più di quanto si pensasse in precedenza.
- Sistema CRISPR / Cas9
La più grande svolta del decennio è stato il sistema CRISPR/Cas9, per il quale i suoi creatori, Jennifer Doudna ed Emmanuelle Charpentier, hanno ricevuto il Premio Nobel per la Chimica 2020.
CRISPR / Cas9 è un metodo di modifica del genomaalta precisione, che consente di modificare i geni dei microrganismi viventi, inclusi gli umani. E con il suo aiuto ci sono possibilità di creare metodi per combattere l'HIV e altre malattie, che oggi suonano come una frase.
- Bambini geneticamente modificati
Nel 2018 sono natibambini geneticamente modificati - ragazze Lulu e Nana. Lo zigote è stato ottenuto mediante fecondazione in vitro (fecondazione in vitro), geneticamente modificato con CRISPR/Cas9 e impiantato nell'utero della donna che ha dato alla luce le bambine.
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