จีโนมของมนุษย์
นี่คือจำนวนทั้งสิ้นของสารทางพันธุกรรมที่มีอยู่ในเซลล์ของมนุษย์ มนุษย์
ออโตโซมยี่สิบสองโครโมโซมเพศ X และ Y สองตัวและดีเอ็นเอไมโทคอนเดรียของมนุษย์ประกอบด้วยคู่เบสประมาณ 3.1 พันล้านคู่
ในระหว่างดำเนินโครงการจีโนมมนุษย์นั้นพิจารณาลำดับดีเอ็นเอของโครโมโซมและไมโตคอนเดรียทั้งหมด ปัจจุบันข้อมูลเหล่านี้ถูกนำมาใช้อย่างแข็งขันทั่วโลกในการวิจัยทางชีวการแพทย์
ลำดับเต็มเผยให้เห็นว่ามนุษย์จีโนมประกอบด้วยยีนที่ทำงานอยู่ 20-25,000 ยีน ซึ่งน้อยกว่าที่คาดไว้อย่างมากในช่วงเริ่มต้นของโครงการ (ประมาณ 100,000 ยีน) นั่นคือเพียง 1.5% ของสารพันธุกรรมทั้งหมดเท่านั้นที่เข้ารหัสโปรตีนหรือ RNA ที่ใช้งานได้
ส่วนที่เหลือคือ DNA ที่ไม่มีการเข้ารหัสซึ่งมักเรียกกันว่า DNA ขยะ แต่ได้รับการพิสูจน์แล้วว่ามีบทบาทสำคัญในการควบคุมกิจกรรมของยีน
คุณสมบัติของยีนของมนุษย์
- โครโมโซม
มีโครโมโซม 23 คู่ในจีโนม:โครโมโซมออโตโซม 22 คู่เช่นเดียวกับโครโมโซมเพศคู่ X และ Y ในมนุษย์เพศชายมีความแตกต่างกันและถูกกำหนดโดยการมีโครโมโซม Y เซลล์ร่างกายแบบ diploid ปกติมีโครโมโซม 46 โครโมโซม
- ยีน
การประมาณการเบื้องต้นบ่งชี้ว่ามีอยู่จีโนมของมนุษย์มียีนมากกว่า 100,000 ยีน จากผลของโครงการจีโนมมนุษย์จำนวนยีนหรือกรอบการอ่านแบบเปิดมีจำนวนยีนประมาณ 28,000 ยีน ในการเชื่อมต่อกับการปรับปรุงวิธีการค้นหา (ทำนาย) ยีนคาดว่าจะมีจำนวนยีนลดลงอีก
จำนวนยีนในมนุษย์นั้นมากกว่าในสิ่งมีชีวิตธรรมดาๆ เช่น พยาธิตัวกลม เพียงเล็กน้อยเท่านั้นCaenorhabditis elegansหรือแมลงวันแมลงหวี่ melanogaster. นี่เป็นเพราะความจริงที่ว่าการต่อรอยทางเลือกนั้นมีอยู่อย่างกว้างขวางในจีโนมมนุษย์ การต่อรอยทางเลือกช่วยให้คุณได้รับสายโปรตีนหลายสายจากยีนเดียว
เป็นผลให้โปรตีโอมของมนุษย์กลายเป็นมีขนาดใหญ่กว่าโปรตีโอมของสิ่งมีชีวิตที่ตรวจสอบมาก ยีนของมนุษย์ส่วนใหญ่มีหลายเอ็กซอนและอินตรอนมักจะยาวกว่าเอ็กซอนชายแดนในยีนอย่างมีนัยสำคัญ
- ลำดับการกำกับดูแล
จีโนมมนุษย์ประกอบด้วยสารต่างๆ มากมายลำดับที่รับผิดชอบในการควบคุมยีน กฎระเบียบหมายถึงการควบคุมการแสดงออกของยีน (กระบวนการสร้าง Messenger RNA ตามส่วนของโมเลกุล DNA)
โดยปกติจะเป็นลำดับสั้น ๆอยู่ติดกับยีนหรือภายในยีน บางครั้งพวกมันอยู่ห่างจากยีน (สารเสริม) มากพอสมควร การจัดระบบของลำดับเหล่านี้ความเข้าใจกลไกการทำงานตลอดจนประเด็นการควบคุมร่วมกันของกลุ่มยีนโดยกลุ่มของเอนไซม์ที่เกี่ยวข้องขณะนี้อยู่ในขั้นเริ่มต้นของการศึกษาเท่านั้น
มีการอธิบายการควบคุมซึ่งกันและกันของกลุ่มยีนด้วยโดยใช้เครือข่ายควบคุมยีน การศึกษาประเด็นเหล่านี้เป็นจุดตัดของสาขาวิชาต่างๆ ได้แก่ คณิตศาสตร์ประยุกต์ คอมพิวเตอร์ประสิทธิภาพสูง และอณูชีววิทยา ความรู้มาจากการเปรียบเทียบจีโนมของสิ่งมีชีวิตต่างๆ และจากความก้าวหน้าในการถอดรหัสยีนเทียมในห้องปฏิบัติการ
การระบุลำดับกฎระเบียบในจีโนมมนุษย์บางส่วนถูกสร้างขึ้นบนพื้นฐานของการอนุรักษ์เชิงวิวัฒนาการ (คุณสมบัติของการรักษาชิ้นส่วนที่สำคัญของลำดับโครโมโซมซึ่งทำหน้าที่ประมาณเดียวกัน)
ตามนาฬิกาโมเลกุลวิวัฒนาการเส้นแบ่งระหว่างมนุษย์และเมาส์เมื่อประมาณ 100 ล้านปีก่อน สำหรับสองจีโนมวิธีการทางคอมพิวเตอร์เปิดเผยลำดับอนุรักษ์นิยม (ลำดับที่เหมือนกันหรือแตกต่างกันเล็กน้อยในจีโนมเปรียบเทียบ) ในส่วนที่ไม่มีการเข้ารหัสและปรากฎว่าพวกมันมีส่วนร่วมอย่างแข็งขันในกลไกการควบคุมยีนในสิ่งมีชีวิตทั้งสอง
อีกแนวทางหนึ่งในการได้รับการกำกับดูแลลำดับขึ้นอยู่กับการเปรียบเทียบยีนของมนุษย์และปลาปักเป้า ลำดับยีนและลำดับการกำกับดูแลในมนุษย์และปลาปักเป้ามีความคล้ายคลึงกันมาก แต่จีโนมของปลาปักเป้ามี "ดีเอ็นเอขยะ" น้อยกว่า 8 เท่า "ความกระชับ" ของจีโนมปลานี้ทำให้ง่ายต่อการค้นหาลำดับการกำกับดูแลยีน
- วัตถุอื่น ๆ ในจีโนม
ลำดับการเข้ารหัสโปรตีน (หลายลำดับที่ประกอบกันเป็นเอกซอน) มีจำนวนน้อยกว่า 1.5% ของจีโนม จีโนมมนุษย์ประกอบด้วยวัตถุจำนวนมากที่ดูเหมือนบางสิ่งที่สำคัญ โดยไม่คำนึงถึงลำดับกฎระเบียบที่ทราบ แต่หน้าที่ (ถ้ามี) ยังไม่ได้รับการอธิบายอย่างชัดเจน
วัตถุเหล่านี้ครอบครองจีโนมมนุษย์มากถึง 97% ของปริมาตรทั้งหมด วัตถุดังกล่าว ได้แก่ :
- ไวรัส
ประมาณ 1% ของจีโนมมนุษย์ถูกครอบครองโดยบิวท์อินยีนรีโทรไวรัส (รีโทรไวรัสภายนอก) ยีนเหล่านี้มักไม่เป็นประโยชน์ต่อโฮสต์ แต่ก็มีข้อยกเว้นอยู่ ดังนั้น เมื่อประมาณ 43 ล้านปีก่อน ยีนรีโทรไวรัสที่ทำหน้าที่สร้างเปลือกไวรัสจึงได้เข้าสู่จีโนมของบรรพบุรุษของลิงและมนุษย์ ในมนุษย์และลิง ยีนเหล่านี้เกี่ยวข้องกับการทำงานของรก
retroviruses ส่วนใหญ่รวมอยู่ในจีโนมของบรรพบุรุษมนุษย์เมื่อ 25 ล้านปีก่อน ในบรรดา retroviruses ภายนอกของมนุษย์ที่อายุน้อยกว่ายังไม่พบเชื้อที่เป็นประโยชน์
การถอดรหัสจีโนมของมนุษย์ยุคหิน
จีโนมนีแอนเดอร์ทัลมีขนาดใกล้เคียงกับจีโนมของมนุษย์ยุคใหม่ ผลเบื้องต้นแสดงให้เห็นว่า DNA ของมนุษย์สมัยใหม่และมนุษย์นีแอนเดอร์ทัลมีความเหมือนกันประมาณ 99.5%
นักวิจัยได้สกัดดีเอ็นเอของฟอสซิลมนุษย์ยุคหินจากกระดูกต้นขาของโครงกระดูกมนุษย์ยุคหินเมื่อ 38,000 ปีก่อนจากถ้ำวินเดียในโครเอเชียเช่นเดียวกับกระดูกอื่น ๆ ที่พบในสเปนรัสเซียและเยอรมนี การใช้ลิงชิมแปนซีและลำดับดีเอ็นเอไมโตคอนเดรียของมนุษย์เป็นจุดอ้างอิงนักวิทยาศาสตร์คำนวณว่าวันที่ของความคลาดเคลื่อนระหว่างมนุษย์และมนุษย์ยุคหินคือ 660,000 ± 140,000 ปี
ในจีโนมของมนุษย์ยุคหินยุโรปคนสุดท้ายจากถ้ำ Vindia, Mezmaiskaya (Mezmaiskaya 2), Goye และ Le Cotte ซึ่งอาศัยอยู่ประมาณปี ค.ศ. 45-39,000 ลิตร n. หลังจากการมาถึงของเซเปียนส์ในยุโรป ก็ไม่พบส่วนผสมของยีนโคร-แม็กนอน
การเปรียบเทียบจีโนมของนีแอนเดอร์ทัลตอนปลายกับจีโนมของมนุษย์นีแอนเดอร์ทัลที่มีอายุมากกว่าจากคอเคซัส (เมซไมสกายา 1) แสดงให้เห็นว่าในช่วงสิ้นสุดประวัติศาสตร์นีแอนเดอร์ทัลอาจมีการหมุนเวียนของประชากรนีแอนเดอร์ทัลทั้งในคอเคซัสหรือทั่วยุโรป
ยีนนีแอนเดอร์ทัลจำนวนมากไหลเวียนในช่วงต้นโฮโมเซเปียนส์มาจากต้นฉบับอย่างน้อยหนึ่งรายการประชากรของมนุษย์ยุคหินที่แยกออกจากมนุษย์ยุคสุดท้ายเมื่ออย่างน้อย 90,000 ปีก่อน n. แต่หลังจากที่พวกเขาแยกตัวออกจากมนุษย์ยุคหินที่เรียงลำดับก่อนหน้านี้จากไซบีเรีย (Altai Neandertal) เมื่อประมาณ 150,000 ปีก่อน
เราได้รับยีนของใครมาบ้าง?
- Denisovites
คนสมัยใหม่ข้ามกับคนเดนิโซวานสองครั้งนักพันธุศาสตร์ชาวอเมริกันพบว่าพวกเขาวิเคราะห์ DNA ของชาวยูเรเซียและโอเชียเนีย 5,639 คน
ตามที่ระบุไว้ในบทความที่ตีพิมพ์ในนิตยสารเซลล์นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบว่าบรรพบุรุษของชาวจีนสมัยใหม่และญี่ปุ่นผสมพันธุ์กับเดนิโซวานจากสองประชากร - อัลไตและวินาทีที่ไม่รู้จัก
Neanderthals และ Denisovans ถือว่าแยกจากกันสายพันธุ์ (ตามเวอร์ชั่นอื่น - สายพันธุ์ย่อย) ของคนโบราณ มนุษย์นีแอนเดอร์ทัลอาศัยอยู่ในยุโรปและเอเชียกลาง และเสียชีวิตไปเมื่อประมาณ 30,000 ปีก่อน ทิ้งซากศพและสิ่งประดิษฐ์ไว้มากมาย
ไม่ค่อยมีใครรู้จัก Denisovansไม่มีร่องรอยของพวกเขาในทางปฏิบัติ (จนถึงขณะนี้มีการค้นพบฟันกรามเพียงสามซี่และส่วนหน้าของนิ้วเท่านั้น) ซึ่งพบในที่เดียว - ถ้ำเดนิโซวาในอัลไต ที่จริงแล้วพันธุศาสตร์ค้นพบคนประเภทใหม่โดยเรียงลำดับดีเอ็นเอจากกลุ่มนิ้วและพบความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญในจีโนมไมโตคอนเดรียและนิวเคลียร์จากจีโนมของมนุษย์ยุคใหม่และมนุษย์ยุคหิน
- มนุษย์ยุคหิน
จีโนมของมนุษย์นีแอนเดอร์ทัลและมนุษย์สมัยใหม่ต่างกัน 0.16% ในด้านหนึ่งความแตกต่างมีน้อย ในทางกลับกัน คุณสามารถเห็นได้ว่ามียีนใดบ้างในมนุษย์ยุคใหม่ แต่ไม่มีทั้งในลิงชิมแปนซีและมนุษย์นีแอนเดอร์ทัล
สิ่งเหล่านี้เป็นองค์ประกอบสมมุติที่ไม่ได้สืบทอดมาจากบรรพบุรุษร่วมกันและปรากฏเฉพาะหลังจากความแตกต่างของกิ่งก้านของมนุษย์สมัยใหม่และมนุษย์ยุคหิน มีองค์ประกอบที่ทันสมัยอย่างหมดจด 78 รายการ - การแทนที่นิวคลีโอไทด์ในยีนการแทนที่นิวคลีโอไทด์บางส่วนอาจเป็นกลาง (อาจได้รับการแก้ไขเนื่องจากกระบวนการทางประชากรตามปกติปัญหาคอขวด ฯลฯ ) ในขณะที่องค์ประกอบอื่น ๆ อาจมีนัยสำคัญในการปรับตัว
ดังนั้นจึงมียีนดังกล่าว 5 ยีนที่นำไปด้วยการทดแทนนิวคลีโอไทด์หลาย ๆ อย่างเหล่านี้ ยีนเหล่านี้และด้วยเหตุนี้การกลายพันธุ์เหล่านี้จึงปรับตัวได้อย่างชัดเจนสำหรับคนสมัยใหม่มิฉะนั้นวิวัฒนาการจะไม่ได้ให้ความสนใจกับพวกมันมากนัก ยีนเหล่านี้เกี่ยวข้องกับการทำงานของผิวหนังกิจกรรมทางจิตการเผาผลาญพลังงาน /
กลุ่มยีนมีผลต่อประชากรมนุษย์อย่างไร?
ในปี 2010จีโนมนิวเคลียร์ยุคหินได้รับการศึกษาอย่างเต็มที่เป็นครั้งแรก ร่องรอยทางพันธุกรรมของสัตว์ชนิดนี้มีการคำนวณใหม่บ่อยมาก พันธุศาสตร์ประชากรจากมหาวิทยาลัยวอชิงตันเบนจามินเวอร์นอตต์และโจชัว เอกิ มีส่วนร่วมในการวิจัยและแนวทางใหม่นี้ทำให้ผู้เขียนสามารถ "ดึง" ลำดับดีเอ็นเอของมนุษย์ยุคหินทั้งหมดที่ซ่อนอยู่ในจีโนมสมัยใหม่ออกมาได้
พวกเขาได้ข้อสรุปว่าในกลุ่มยีนของคนสมัยใหม่ในประชากรยุโรปและเอเชีย ประมาณ 20% ของจีโนมมนุษย์นีแอนเดอร์ทัลไหลเวียนอยู่ ลำดับของมนุษย์ยุคหินในจีโนมของมนุษย์ยุคใหม่นั้นค่อนข้างสั้น - สิ่งนี้อธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่าเวลาผ่านไปค่อนข้างนานนับตั้งแต่การผสมพันธุ์กับมนุษย์ยุคใหม่และลำดับที่ยาวก็ถูกทำลายการรวมกันใหม่(การแลกเปลี่ยนส่วนระหว่างโครโมโซมที่ต่างกัน)
26% ของโปรตีนในการเข้ารหัสทั้งหมดยังมีอัลลีลของมนุษย์ยุคหิน
ยีนใน keratinocytes (เซลล์ผิวหนัง): จำเป็นสำหรับการปรับปรุงเม็ดสีหรือการปรับตัว และบริเวณบนโครโมโซมที่เจ็ดที่มียีนช่วยพัฒนาการพูดของมนุษย์
ความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์ล่าสุด
- จีโนมยุโรปที่เก่าแก่ที่สุดได้รับการสร้างขึ้นใหม่
นักวิทยาศาสตร์จากห้องปฏิบัติการทางพันธุกรรมของ Max Planck Institute for the History of Humanity ในเยอรมนีได้สร้างจีโนมยุโรปที่เก่าแก่ที่สุดขึ้นใหม่
สำหรับการศึกษาวัสดุนี้ถูกนำมาจากกะโหลกศีรษะอายุประมาณ 45,000 ปีซึ่งพบในเมือง Zlata Kun ในสาธารณรัฐเช็ก มันเป็นของผู้หญิง
ปรากฎว่ามีจีโนมจาก Zlata Kunประมาณปริมาณ DNA ของ Neanderthal เท่ากับมนุษย์สมัยใหม่คนอื่น ๆ ประมาณ 2-3% แต่ส่วนของยีน Neanderthal เองก็อยู่ในตัวเขานานกว่าในคนอื่น ๆ มาก
ตามที่ผู้เขียนผลงานระบุ DNA ของผู้หญิงคนนี้ไม่ใช่พบในผู้ที่อาศัยอยู่ภายหลังในยุโรปหรือเอเชีย สิ่งนี้ชี้ให้เห็นว่ามนุษย์สมัยใหม่มีอยู่ในยุโรปตะวันออกเฉียงใต้ตั้งแต่ 47–43,000 ปีก่อน
- กลไกใหม่ของการควบคุมยีน
กลุ่มนักวิทยาศาสตร์จากรัสเซียศึกษาบทบาทของชิ้นส่วนสองเกลียวของ RNA ที่กำลังเติบโต และแสดงให้เห็นว่าปฏิสัมพันธ์ระหว่างส่วนที่ห่างไกลสามารถควบคุมการแสดงออกของยีนได้
RNA มีสองโครงสร้าง - หลักและรองโครงสร้างปฐมภูมิของกรดนิวคลีอิกหมายถึงลำดับและลำดับของการจัดเรียงโมโนนิวคลีโอไทด์ในสายพอลินิวคลีโอไทด์ของ RNA โซ่ดังกล่าวได้รับความเสถียรด้วยพันธะ 3 ′, 5′-phosphodiester ในทางกลับกัน โครงสร้างทุติยภูมิคือการจัดเรียงโครงสร้างของสายโซ่หลักของโมเลกุลขนาดใหญ่ (ตัวอย่างเช่น สายโพลีเปปไทด์ของโปรตีนหรือสายโซ่ของกรดนิวคลีอิก) โดยไม่คำนึงถึงโครงสร้างของสายด้านข้างหรือความสัมพันธ์กับส่วนอื่นๆ
ในการอธิบายโครงสร้างทุติยภูมิสิ่งสำคัญคือต้องกำหนดพันธะไฮโดรเจนที่ทำให้ชิ้นส่วนของโมเลกุลขนาดใหญ่มีเสถียรภาพ
ขอบคุณงานใหม่กลับกลายเป็นว่ารองโครงสร้างมีบทบาทสำคัญในการเจริญเติบโตของโมเลกุลอาร์เอ็นเอที่มีข้อมูลและโดยเฉพาะอย่างยิ่งในการเชื่อมต่อ นี่คือกระบวนการที่ส่วนที่ไม่ได้เข้ารหัสจะถูกตัดออกและส่วนการเข้ารหัสจะถูกต่อเข้าด้วยกัน (เช่นเดียวกับการเจริญเติบโตของโมเลกุล RNA) นักวิทยาศาสตร์ได้แสดงให้เห็นว่าโครงสร้างทุติยภูมิของ RNA สามารถควบคุมการเชื่อมต่อได้และมีส่วนช่วยในการควบคุมยีนมากกว่าที่เคยคิดไว้
- ระบบ CRISPR / Cas9
ความก้าวหน้าครั้งใหญ่ที่สุดในรอบทศวรรษคือระบบ CRISPR/Cas9 ซึ่งผู้สร้างระบบคือ Jennifer Doudna และ Emmanuelle Charpentier ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีประจำปี 2020
CRISPR / Cas9 เป็นวิธีการแก้ไขจีโนมความแม่นยำสูงช่วยให้คุณสามารถเปลี่ยนยีนของจุลินทรีย์ที่มีชีวิตรวมถึงมนุษย์ และด้วยความช่วยเหลือของมันทำให้มีโอกาสในการสร้างวิธีการต่อสู้กับเอชไอวีและโรคอื่น ๆ ซึ่งทุกวันนี้ฟังดูเหมือนประโยค
- เด็กดัดแปลงพันธุกรรม
เกิดในปีพ. ศเด็กดัดแปลงพันธุกรรม - เด็กหญิงลูลู่และนานะ ไซโกตได้มาโดยใช้การผสมเทียม (การปฏิสนธินอกร่างกาย) โดยดัดแปลงพันธุกรรมด้วย CRISPR / Cas9 และฝังเข้าไปในมดลูกของหญิงที่ให้กำเนิดเด็กหญิง
อ่านเพิ่มเติม:
ปฏิกิริยานิวเคลียร์รุนแรงขึ้นในเตาปฏิกรณ์ของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์เชอร์โนบิล
นักวิทยาศาสตร์ได้แสดงให้เห็นว่าหลุมดำฉีกดวงดาวออกจากกันได้อย่างไร
นักฟิสิกส์ได้สร้างอะนาล็อกของหลุมดำและยืนยันทฤษฎีของ Hawking นำไปสู่ที่ไหน?