Ludzki genom
Jest to całość materiału dziedzicznego zawartego w komórce ludzkiej. Ludzki
Dwadzieścia dwa autosomy, dwa chromosomy płciowe X i Y oraz ludzkie mitochondrialne DNA zawierają łącznie około 3,1 miliarda par zasad.
W ramach projektu Human Genome Project określono sekwencję DNA wszystkich chromosomów i mitochondrialnego DNA.Obecnie dane te są aktywnie wykorzystywane na całym świecie w badaniach biomedycznych.
Pełne sekwencjonowanie ujawniło, że jest to człowiekgenom zawiera 20-25 tys. aktywnych genów, czyli znacznie mniej niż oczekiwano na początku projektu (ok. 100 tys.) – czyli jedynie 1,5% całkowitego materiału genetycznego koduje białka lub funkcjonalny RNA.
Reszta to niekodujące DNA, często określane jako śmieciowe DNA, które okazało się odgrywać ważną rolę w regulacji aktywności genów.
Cechy ludzkiego genu
- Chromosomy
W genomie są 23 pary chromosomów:22 pary chromosomów autosomalnych, a także para chromosomów płciowych X i Y. U ludzi płeć męska jest heterogametyczna i jest zdeterminowana obecnością chromosomu Y. Normalne diploidalne komórki somatyczne mają 46 chromosomów.
- Geny
Wstępne szacunki sugerowały obecnośćludzki genom ma ponad 100 tysięcy genów. Zgodnie z wynikami projektu Human Genome liczba genów, a raczej otwartych ramek odczytu, wyniosła około 28 000 genów. W związku z doskonaleniem metod wyszukiwania (przewidywania) genów spodziewany jest dalszy spadek liczby genów.
Liczba genów u człowieka jest tylko nieznacznie większa niż u prostszych organizmów, takich jak glista.Caenorhabditis eleganslub lecimuszka owocowa. Wynika to z faktu, że alternatywny splicing jest szeroko reprezentowany w ludzkim genomie. Alternatywny splicing pozwala na uzyskanie kilku różnych łańcuchów białkowych z jednego genu.
W rezultacie okazuje się, że ludzki proteom jestznacznie większy niż proteom rozważanych organizmów. Większość ludzkich genów ma wiele eksonów, a introny są często znacznie dłuższe niż graniczne egzony w genie.
- Sekwencje regulacyjne
Ludzki genom zawiera wiele różnychsekwencje odpowiedzialne za regulację genów. Regulacja odnosi się do kontroli ekspresji genów (procesu konstruowania informacyjnego RNA wzdłuż odcinka cząsteczki DNA).
Są to zwykle krótkie sekwencje,zlokalizowane obok genu lub w obrębie genu. Czasami znajdują się w znacznej odległości od genu (wzmacniacze). Systematyzacja tych sekwencji, zrozumienie mechanizmów działania, a także zagadnienia wzajemnej regulacji grupy genów przez grupę odpowiadających im enzymów są obecnie dopiero na wstępnym etapie badań.
Opisano wzajemną regulację grup genówza pomocą sieci regulacyjnych genów. Badanie tych zagadnień znajduje się na styku kilku dyscyplin: matematyki stosowanej, obliczeń wielkiej skali i biologii molekularnej. Wiedza pochodzi z porównań genomów różnych organizmów oraz z postępów w sztucznej transkrypcji genów w laboratorium.
Identyfikacja sekwencji regulatorowych wGenom ludzki został częściowo wytworzony w oparciu o konserwację ewolucyjną (właściwość polegającą na zachowywaniu ważnych fragmentów sekwencji chromosomalnej, które pełnią w przybliżeniu tę samą funkcję).
Zgodnie z zegarem molekularnym, ewolucyjnylinie ludzkie i mysie rozdzieliły się około 100 milionów lat temu. W przypadku dwóch genomów metody komputerowe ujawniły sekwencje konserwatywne (identyczne lub bardzo nieznacznie różne w porównywanych genomach) w części niekodującej i okazało się, że są one aktywnie zaangażowane w mechanizmy regulacji genów w obu organizmach.
Inne podejście do uzyskania regulacjiSekwencje oparte są na porównaniu genów ludzi i ryb rozdymkowatych. Sekwencje genów i sekwencje regulatorowe u ludzi i ryb rozdymkowatych są zasadniczo podobne, ale genom rozdymkowatych zawiera 8 razy mniej „śmieciowego DNA”. Ta „zwartość” genomu ryby znacznie ułatwia poszukiwanie sekwencji regulatorowych genów.
- Inne obiekty w genomie
Sekwencje kodujące białka (wielesekwencje tworzące eksony) stanowią mniej niż 1,5% genomu. Nie biorąc pod uwagę znanych sekwencji regulacyjnych, ludzki genom zawiera wiele obiektów, które wyglądają jak coś ważnego, ale których funkcja, jeśli w ogóle, nie została jeszcze wyjaśniona.
Obiekty te zajmują do 97% całkowitej objętości ludzkiego genomu. Do takich obiektów należą:
- Wirusy
Około 1% ludzkiego genomu zajmują komórki wbudowanegeny retrowirusów (retrowirusy endogenne). Geny te zwykle nie przynoszą korzyści gospodarzowi, ale są wyjątki. Tak więc około 43 miliony lat temu geny retrowirusowe, które posłużyły do budowy otoczki wirusa, weszły do genomu przodków małp i ludzi. U ludzi i małp geny te biorą udział w funkcjonowaniu łożyska.
Większość retrowirusów została włączona do genomu przodków człowieka ponad 25 milionów lat temu. Wśród młodszych ludzkich retrowirusów endogennych do tej pory nie znaleziono żadnych korzystnych.
Dekodowanie genomu neandertalczyka
Genom neandertalczyka jest wielkością zbliżoną do genomu współczesnego człowieka. Wstępne wyniki pokazują, że DNA współczesnego człowieka i neandertalczyka jest w około 99,5% identyczne.
Naukowcy wyodrębnili skamieniałe DNANeandertalczyk z kości udowej szkieletu neandertalczyka 38 000 lat temu z jaskini Vindia w Chorwacji, a także z innych kości znalezionych w Hiszpanii, Rosji i Niemczech. Wykorzystując sekwencje DNA szympansa i ludzkiego mitochondrialnego DNA jako punkty odniesienia, naukowcy obliczyli, że data rozbieżności między ludzkim a neandertalskim mtDNA wynosi 660 000 ± 140 000 lat.
W genomach ostatnich europejskich neandertalczyków zjaskinie Vindia, Mezmaiskaya (Mezmaiskaya 2), Goye i Le Cotte, którzy żyli ok. 45-39 tys. l. N. Po przybyciu sapiens do Europy nie stwierdzono domieszki genów Cro-Magnon.
Porównanie genomów późnego neandertalczyka zGenom starszego neandertalczyka z Kaukazu (Mezmaiskaya 1) wykazał, że pod koniec historii neandertalczyka prawdopodobnie nastąpiła wymiana populacji neandertalczyków albo na Kaukazie, albo w całej Europie.
Większość genów neandertalczyka przepływa wcześnieHomo sapienspochodzi z jednego lub więcej oryginałówpopulacje neandertalczyków, które oddzieliły się od ostatnich neandertalczyków co najmniej 90 tysięcy lat temu. n., ale po oddzieleniu się od wcześniej sekwencjonowanego neandertalczyka z Syberii (Ałtaj Neandertalczyk) około 150 tysięcy lat temu.
Czyje geny odziedziczyliśmy?
- Denisowici
Współcześni ludzie dwukrotnie skrzyżowali się z ludźmi denisowiańskimi, amerykańscy genetycy odkryli, że przeanalizowali DNA 5639 mieszkańców Eurazji i Oceanii.
Jak napisano w artykule opublikowanym w czasopiśmieKomórka,Naukowcy odkryli, że przodkowie mieszkańców współczesnych Chin i Japonii krzyżowali się z denisowianami z dwóch populacji - Ałtaju i nieznanej drugiej.
Neandertalczycy i denisowianie są uważani za odrębnychgatunek (według innej wersji - podgatunek) starożytnych ludzi. Neandertalczycy żyli w Europie i Azji Środkowej i wymarli około 30 tysięcy lat temu, pozostawiając po sobie liczne pozostałości i artefakty.
O Denisovanach wiadomo znacznie mniej.Praktycznie nie ma ich śladów (do tej pory odkryto tylko trzy zęby trzonowe i falangę palca), które znaleziono w jednym miejscu - Jaskini Denisowej w Ałtaju. W rzeczywistości nowy rodzaj ludzi został odkryty przez genetykę, sekwencjonując DNA z paliczka palca i znajdując znaczące różnice w genomach mitochondrialnych i jądrowych w genomach współczesnych ludzi i neandertalczyków.
- Neandertalczycy
Genom neandertalczyków i człowieka współczesnegoróżni się o 0,16%. Z jednej strony różnice są niewielkie. Z drugiej strony można zobaczyć, które geny są obecne u współczesnego człowieka, a nie występują u szympansów i neandertalczyków.
To są hipotetyczne elementy, których nie maodziedziczył po wspólnym przodku i pojawił się dopiero po rozejściu się gałęzi współczesnego człowieka i neandertalczyka. Takich czysto nowoczesnych elementów - substytucji nukleotydów w genach było 78. Niektóre z tych substytucji nukleotydów mogą być neutralne (można je naprawić w wyniku zwykłych procesów demograficznych, wąskich gardeł itp.), Inne mogą mieć również znaczenie adaptacyjne.
Tak więc było 5 takich genów, które były przenoszonekilka z tych podstawień nukleotydów. Te geny i, odpowiednio, te mutacje są w oczywisty sposób adaptacyjne dla współczesnych ludzi, w przeciwnym razie ewolucja nie zwróciłaby na nie tak szczególnej uwagi. Są to geny związane z funkcjami skóry, aktywnością umysłową, metabolizmem energetycznym /
Jak pula genów wpłynęła na populację ludzką?
W 2010Genom jądrowy neandertalczykazostał po raz pierwszy w pełni przestudiowany. Ślad genetyczny tego gatunku jest bardzo często przeliczany. Genetyka populacjiz Uniwersytetu WaszyngtońskiegoBenjamin VernottiJoshua Eki Rozpoczęte badania, a nowe podejście pozwoliło autorom „wyciągnąć” wszystkie sekwencje neandertalskiego DNA ukryte we współczesnych genomach.
Doszli do wniosku, że w puli genowej współczesnościW populacjach europejskich i azjatyckich krąży łącznie około 20% genomu neandertalczyka. Sekwencje neandertalczyka w genomie współczesnego człowieka są dość krótkie - tłumaczy się to faktem, że od hybrydyzacji z neandertalczykami minęło sporo czasu, a długie sekwencje zostały zerwanerekombinacje(wymiana odcinków pomiędzy różnymi chromosomami).
26% wszystkich białek kodujących zawiera również allele neandertalczyka.
Geny w keratynocytach (komórki skóry): są potrzebne do poprawy pigmentacji lub adaptacji. Region na siódmym chromosomie zawierający gen pomógł rozwinąć ludzką mowę.
Najnowsze osiągnięcia naukowe
- Zrekonstruowano najstarszy europejski genom
Naukowcy z laboratorium genetycznego Instytutu Historii Ludzkości im. Maxa Plancka w Niemczech zrekonstruowali najstarszy genom Europy.
Do badań pobrano materiał z czaszki sprzed około 45 tysięcy lat, znalezionej w miejscowości Zlaty Kun w Czechach. Należał do kobiety.
Okazało się, że genom Zlaty Kun zawieramniej więcej tyle samo DNA neandertalczyka, co innych współczesnych ludzi, około 2-3%, ale same segmenty genów neandertalczyka są u niego znacznie dłuższe niż u wszystkich innych.
Według autorów pracy DNA tej kobiety nie jeststwierdzono u ludzi, którzy żyli później w Europie lub Azji. Sugeruje to, że współcześni ludzie byli obecni w południowo-wschodniej Europie już 47–43 tysiące lat temu.
- Nowy mechanizm regulacji genów
Grupa naukowców z Rosji zbadała rolę dwuniciowych fragmentów dojrzewającego RNA i wykazała, że interakcja pomiędzy jego odległymi częściami może regulować ekspresję genów.
RNA ma dwie struktury – pierwotną i wtórną.Podstawowa struktura kwasów nukleinowych odnosi się do kolejności i sekwencji ułożenia mononukleotydów w łańcuchu polinukleotydowym RNA. Taki łańcuch jest stabilizowany wiązaniami 3′,5′-fosfodiestrowymi. Z kolei struktura drugorzędowa to układ konformacyjny głównego łańcucha makrocząsteczki (na przykład łańcucha polipeptydowego białka lub łańcucha kwasów nukleinowych), niezależnie od konformacji łańcuchów bocznych lub powiązania z innymi segmentami.
Przy opisywaniu struktury drugorzędowej istotne jest określenie wiązań wodorowych stabilizujących poszczególne fragmenty makrocząsteczek.
Dzięki nowej pracy okazało się, że drugorzędnastruktura odgrywa ważną rolę w dojrzewaniu cząsteczek RNA przenoszących informacje, a zwłaszcza w splicingu. Jest to proces, w którym regiony niekodujące są wycinane, a regiony kodujące są zszywane (jak w przypadku dojrzewania cząsteczek RNA). Naukowcy wykazali, że struktury drugorzędowe RNA mogą regulować splicing, a tym samym przyczyniać się bardziej do regulacji genów, niż wcześniej sądzono.
- System CRISPR / Cas9
Największym przełomem dekady był system CRISPR/Cas9, za który jego twórcy, Jennifer Doudna i Emmanuelle Charpentier, otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii 2020.
CRISPR / Cas9 to metoda edycji genomuwysoka dokładność, pozwalająca na zmianę genów żywych mikroorganizmów, w tym ludzi. A z jego pomocą są szanse na stworzenie metod walki z HIV i innymi chorobami, które dziś brzmią jak wyrok.
- Dzieci zmodyfikowane genetycznie
W 2018 roku urodzili siędzieci modyfikowane genetycznie - dziewczynki Lulu i Nana. Zygotę uzyskano metodą IVF (zapłodnienie in vitro), zmieniono genetycznie CRISPR / Cas9 i wszczepiono do macicy kobiety, która urodziła dziewczynki.
Czytaj więcej:
Reakcje jądrowe nasiliły się w reaktorze elektrowni jądrowej w Czarnobylu
Naukowcy wykazali, jak czarna dziura rozrywa gwiazdę
Fizycy stworzyli analogię czarnej dziury i potwierdzili teorię Hawkinga. Dokąd to prowadzi?