геном людини
Це сукупність спадкового матеріалу, що міститься в клітині людини. Людський
Двадцять дві аутосоми, дві статеві хромосоми Х і Y, а також мітохондріальна ДНК людини містять разом приблизно 3,1 млрд пар основ.
Під час проекту «Геном людини» було визначено послідовність ДНК усіх хромосом та мітохондріальної ДНК.В даний час ці дані активно використовуються в усьому світі в біомедичних дослідженнях.
Повне секвенування виявило, що людськийгеном містить 20-25 тис. активних генів, що значно менше, ніж очікувалося на початку проекту (близько 100 тис.) - тобто тільки 1,5% всього генетичного матеріалу кодує білки або функціональні РНК.
Інша частина є некодирующей ДНК, яку часто називають сміттєвої ДНК, але яка, як виявилося, грає важливу роль в регуляції активності генів.
Особливості гена людини
- хромосоми
У геномі присутня 23 пари хромосом:22 пари аутосомних хромосом, а також пара статевих хромосом X і Y. У людини чоловіча стать є гетерогаметним і визначається наявністю Y-хромосоми. Нормальні диплоїдні соматичні клітини мають 46 хромосом.
- гени
Попередні оцінки припускали наявність вгеномі людини понад 100 тисяч генів. За результатами проекту «Геном людини» кількість генів, а точніше відкритих рамок зчитування, склало близько 28 000 генів. У зв'язку з удосконаленням методів пошуку (передбачення) генів передбачається подальше зменшення числа генів.
Число генів у людини лише не набагато більше, ніж у більш простих організмів, наприклад, круглого хробакаCaenorhabditis elegansабо мухиDrosophila melanogaster. Так відбувається через те, що в людському геном широко представлений альтернативний сплайсинг. Альтернативний сплайсинг дозволяє отримати кілька різних білкових ланцюжків з одного гена.
В результаті людський протеом виявляєтьсязначно більше протеома розглянутих організмів. Більшість людських генів мають множинні екзонів, і інтрони часто виявляються значно довшими, ніж граничні екзонів в гені.
- регуляторні послідовності
У людському геномі знайдено безліч різнихпослідовностей, відповідальних регуляцію генів. Під регуляцією розуміється контроль експресії гена (процес побудови матричної РНК ділянкою молекули ДНК).
Зазвичай це короткі послідовності,що перебувають або поруч з геном, або всередині гена. Іноді вони знаходяться на значній відстані від гена (енхансери). Систематизація цих послідовностей, розуміння механізмів роботи, а також питання взаємної регуляції групи генів групою відповідних ферментів на поточний момент знаходяться тільки на початковій стадії вивчення.
Взаємне регулювання груп генів описується зза допомогою мереж регуляції генів. Вивчення цих питань знаходиться на стику кількох дисциплін: прикладної математики, високопродуктивних обчислень та молекулярної біології. Знання виникають із порівнянь геномів різних організмів і завдяки досягненням у сфері організації штучної транскрипції гена в лабораторних умовах.
Ідентифікація регуляторних послідовностей улюдському геномі частково була зроблена на основі еволюційної консервативності (властивості збереження важливих фрагментів хромосомної послідовності, які відповідають приблизно одній і тій же функції).
Згідно з даними молекулярного годинника, еволюційнілінії людини і миші розділилися близько 100 мільйонів років тому. Для двох геномів комп'ютерними методами були виявлені консервативні послідовності (послідовності, ідентичні або дуже слабо відрізняються в порівнюваних геномах) в некодирующей частини і виявилося, що вони беруть активну участь в механізмах регуляції генів у обох організмів.
Інший підхід отримання регуляторнихпослідовностей заснований на порівнянні генів людини і риби фугу. Послідовності генів і регуляторні послідовності у людини і риби фугу істотно схожі, проте геном риби фугу містить в 8 разів менший обсяг «сміттєвої ДНК». Така «компактність» риб'ячого генома дозволяє значно легше шукати регуляторні послідовності для генів.
- Інші об'єкти в геномі
Кодують послідовності білок (множинапослідовностей складових екзони) становлять менш ніж 1,5% геному. Незважаючи на відомі регуляторні послідовності, в людському геномі міститься маса об'єктів, які виглядають як щось важливе, але функція яких, якщо вона взагалі існує, поки що не з'ясована.
Ці об'єкти займають до 97% всього обсягу людського генома. До таких об'єктів належать:
- віруси
Близько 1% у геномі людини займають інтегрованігени ретровірусів (ендогенні ретровіруси). Ці гени зазвичай не приносять користі господареві, але існують і винятки. Так, близько 43 млн років тому до генома предків мавп і людини потрапили ретровірусні гени, які служили для побудови оболонки вірусу. У людини та мавп ці гени беруть участь у роботі плаценти.
Більшість ретровірусів прилаштувалися в геном предків людини понад 25 млн років тому. Серед молодших людських ендогенних ретровірусів корисних на даний момент не виявлено.
Розшифровка геному неандертальця
Геном неандертальця за розміром близький до геному сучасної людини. Попередні результати показують, що ДНК сучасної людини та неандертальця ідентичні приблизно на 99,5%.
Дослідники витягли викопну ДНКнеандертальця з кістки стегна скелета неандертальця 38 000-річної давності з печери Віндія в Хорватії, а також з інших кісток, знайдених в Іспанії, Росії та Німеччини. Використовуючи послідовності мітохондріальної ДНК шимпанзе і людини в якості опорних точок, вчені розрахували: дата розбіжності між мтДНК людини і неандертальця становить 660 000 ± 140 000 років.
У геномах останніх європейських неандертальців ізпечер Віндія, Мезмайська (Mezmaiskaya 2), Гойє та Ле-Котте, що жили бл. 45-39 тис. л. н. вже після прибуття сапієнсів до Європи не знайдено домішки генів кроманьйонців.
Порівняння геномів пізніх неандертальців зГеномом більш давнього неандертальця з Кавказу (Mezmaiskaya 1) показало, що кінцю історії неандертальців, ймовірно, відбувся обіг неандертальського населення або на Кавказі, або по всій Європі.
Основна частина потоку неандертальських генів у ранніхHomo sapiensпоходила з однієї або кількох вихіднихпопуляцій неандертальців, які розійшлися з останніми неандертальцями щонайменше 90 тис. л. н. але після того, як вони відкололися від раніше секвенованого неандертальця з Сибіру (Altai Neandertal) приблизно 150 тис. років тому.
Чиї гени ми успадкували?
- денисовців
Люди сучасного типу схрещувалися з денісівськими людьми двічі, з'ясували американські генетики, які проаналізували ДНК 5639 жителів Євразії та Океанії.
Як йдеться у статті, опублікованій у журналіCell,вчені виявили, що предки мешканців сучасних Китаю та Японії схрещувалися з денисівцями з двох популяцій — алтайської та невідомої другої.
Неандертальців та денисівців вважають окремимивидами (за іншою версією - підвидами) стародавніх людей. Неандертальці жили в Європі та Центральній Азії та вимерли близько 30 тисяч років тому, залишивши численні останки та артефакти.
Про денисовців відомо набагато менше.Від них практично не залишилося слідів (до сих пір виявлені тільки три корінних зуба і фаланга пальця), які знайдені в одному місці - Денисовій печері на Алтаї. Власне, новий вид людей виявили генетики, отсеквеніровав ДНК з фаланги пальця і виявивши в мітохондріальному, і в ядерному геномі істотні відмінності від геномів людей сучасного типу і неандертальців.
- неандертальці
Геном неандертальців та сучасних людейвідрізняється на 0,16%. З одного боку, відмінності невеликі. З іншого, можна побачити, які гени є у сучасних людей, але відсутні і шимпанзе, і неандертальці.
Це гіпотетичні елементи, що неуспадковані від загального предка і з'явилися тільки після розбіжності гілок сучасної людини і неандертальця. Таких суто сучасних елементів - нуклеотидних замін в генах - знайшлося 78. Деякі з цих нуклеотидних замін можуть бути нейтральними (вони могли закріпитися в результаті звичайних демографічних процесів, пляшкових шийок і т. Д.), Інші ж можуть мати і адаптивне значення.
Так ось, знайшлося 5 таких генів, які несли покілька зазначених нуклеотидних замін. Ці гени і, відповідно, ці мутації, очевидно, адаптивні для сучасних людей, інакше б еволюція не звернула б на них такої пильної уваги. Це гени, пов'язані з функціями шкіри, розумовою діяльністю, енергетичним обміном /
Як генофонд вплинув на людську популяцію?
У 2010ядерний геном неандертальцябув уперше повністю вивчений. Генетичний слід цього виду дуже часто перераховується. популяційні генетикиз Вашингтонського університетуБенджамін ВернотіДжошуа Екі зайнялися дослідженням і новий підхід дозволив авторам «витягнути» все послідовності неандертальської ДНК, заховані в сучасних геномах.
Вони дійшли висновку, що у генофонді сучаснихєвропейських та азіатських популяцій сумарно циркулює близько 20% неандертальського геному. Неандертальські послідовності в геномі сучасних людей досить короткі — це пояснюється тим, що з часу гібридизації з неандертальцями пройшло досить багато часу, і довгі послідовності виявилися розбитими.рекомбінаціями(Обмін ділянками між різними хромосомами).
26% всіх кодують білків мають у своєму складі і неандертальські аллели.
Також виявилися корисні гени в кератиноцитах (клітинах шкіри): Вони потрібні для поліпшеної пігментації або пристосування. А ділянку на сьомій хромосомі, що містить ген, допоміг розвинути людську мову.
Останні наукові досягнення
- Відтворено найдавніший геном європейця
Вчені з генетичної лабораторії Інституту історії людства Макса Планка в Німеччині реконструювали найдавніший геном європейця.
Для дослідження було взято матеріал черепа віком близько 45 тисяч років, знайденого в містечку Злати Кун в Чехії. Він належав жінці.
Виявилося, що геном із Злати Кун міститьприблизно така сама кількість неандертальської ДНК, як і в інших сучасних людей, близько 2-3%, але самі сегменти неандертальських генів у ньому набагато довші, ніж у всіх.
За даними авторів роботи, ДНК цієї жінки незустрічається у людей, які жили пізніше на території Європи чи Азії. Це дозволяє припустити, що сучасні люди зустрічалися у Південно-Східній Європі вже 47–43 тисячі років тому.
- Новий механізм регуляції генів
Група вчених з Росії вивчила роль дволанцюгових фрагментів дозріває РНК і показала, що взаємодія між її віддаленими частинами може регулювати експресію генів.
РНК має дві структури — первинну і вторинну.Під первинною структурою нуклеїнових кислот розуміють порядок, послідовність розташування мононуклеотидів полінуклеотидної ланцюга РНК. Такий ланцюг стабілізується 3′,5′-фосфодіефірними зв'язками. У свою чергу, вторинна структура - конформаційне розташування головного ланцюга макромолекули (наприклад, поліпептидний ланцюг білка або ланцюга нуклеїнових кислот), незалежно від конформації бічних ланцюгів або відношення до інших сегментів.
В описі вторинної структури важливим є визначення водневих зв'язків, які стабілізують окремі фрагменти макромолекул.
Завдяки новій роботі з'ясувалося, що вториннаструктура відіграє важливу роль в дозріванні молекул РНК, що несуть інформацію, і особливо в сплайсинге. Це процес, в якому не кодують області вирізаються, а кодують - зшиваються разом (як в процесі дозрівання молекул РНК). Вчені показали, що вторинні структури РНК можуть регулювати сплайсинг і, таким чином, вносити великий внесок у регуляцію генів, ніж вважалося раніше.
- Система CRISPR / Cas9
Найбільшим проривом десятиліття стала система CRISPR/Cas9, за яку її творці, Дженніфер Дудна та Еммануель Шарпантье, у 2020 році отримали Нобелівську премію з хімії.
CRISPR / Cas9 - це метод редагування геномависокої точності, що дозволяє змінювати гени живих мікроорганізмів, в тому числі і людини. І з його допомогою є шанси створити методики боротьби з ВІЛ та іншими захворюваннями, які сьогодні звучать як вирок.
- Генно-модифіковані діти
У 2018 році на світ з'явилисягенно-модифіковані діти - дівчатка Лулу і Нана. Зигота була отримана за допомогою ЕКЗ (екстракорпорального запліднення), генетично змінена за допомогою CRISPR / Cas9 і імплантована в матку жінки, яка і народила дівчаток.
Читати далі:
У реакторі Чорнобильської АЕС посилилися ядерні реакції
Вчені показали, як чорна діра розриває зірку
Фізики створили аналог чорної діри і підтвердили теорію Хокінга. До чого це призведе?