METODE ZA PROUČAVANJE DNK
1. Za izolaciju DNA iz homogenata tkiva centrifugiranjem se uklanjaju fragmenti staničnih organela i membrana. Proteini uništeni
proteaze (najčešće se koristi proteinaza K) i ekstrahiraju iz otopine. DNK se tada istaloži, na primjer, etanolom i nakon uklanjanja supernatanta
tekuća DNA se otapa u puferskoj otopini.
2. Molekula DNA prosječne veličine sadrži 150 000 000 parova nukleotida i duga je 4 cm.
Stoga su molekule DNA osjetljive na sile smicanja koje se javljaju u otopini, te se u procesu izolacije DNA iz tkiva ona fragmentira. Rezultirajuće molekule DNK puno su manje od originalnih, ali još uvijek vrlo velike – tisuće ili desetke tisuća parova nukleotida. Takve molekule su nezgodne za istraživanje i moraju se dalje fragmentirati.
Za fragmentaciju se koriste restrikcijski enzimi – enzimi izolirani iz bakterija. U bakterijama ti enzimi sudjeluju u uništavanju njima strane DNA. Restrikcijski enzimi "prepoznaju" specifične sekvence od 4-6 nukleotida (restrikcijska mjesta) koji se nalaze u ljudskoj DNA. Poznato je mnogo različitih restrikcijskih enzima, a svaki od njih “prepoznaje” svoje restrikcijsko mjesto (slika 3.3).
Koristeći set restrikcijskih enzima, možete izrezati molekulu DNA u fragmente željene duljine. Na primjer, fragmenti veličine oko 300 parova nukleotida pogodni su za proučavanje primarne strukture. Dakle, cijela molekula DNA od 150 000 000 bp. trebate ga izrezati na 500 000 fragmenata i proučavati svaki fragment posebno.
Lančana reakcija polimerazom (PCR). Neka istraživanja zahtijevaju velike količine dobro pročišćene DNK visoke molekularne težine. PCR metoda omogućuje selektivnu sintetizaciju malih dijelova DNA in vitro i dobivanje nekoliko milijuna kopija fragmenta koji se proučava u 3-4 sata. Objekti za ekstrakciju DNK mogu biti krv, biopsija tkiva, slina, urin, amnionska tekućina itd. O ovoj metodi i njenoj primjeni u DNA dijagnostici bit će detaljnije riječi u temi 3.10.
Hibridizacija. Za proučavanje specifičnosti vrste nukleinskih kiselina koristi se metoda hibridizacije. Temelji se na sposobnosti DNA da denaturira kada se zagrije (80-90 °C) i renativira nakon naknadnog hlađenja. Metodu je moguće koristiti za DNA-DNA i DNA-RNA hibridizaciju. Metoda hibridizacije može se koristiti za određivanje sličnosti i razlika u primarnoj strukturi različitih uzoraka nukleinskih kiselina.
Sekvenciranje genoma.
Sekvenciranjem genoma zdrave osobe u većini slučajeva nije moguće predvidjeti razvoj određenih bolesti u budućnosti. Rezultati ovog rada predstavljeni su na godišnjoj skupštini Udruge za istraživanje raka i također objavljeni u časopisu Znanost translacijska medicina.
Sekvenciranje cijelog genoma uključuje "katalogiziranje" svih gena koje osoba prima od oba roditelja i provjeru istih na oštećenja DNK koja bi osobu mogla učiniti osjetljivijom na rak i druge bolesti. Budući da se cijena sekvencioniranja genoma stalno smanjuje (trenutačna cijena postupka je 1-3 tisuće američkih dolara), mnogi zdravi ljudi počeli su razmišljati o podvrgavanju takvom testiranju i određivanju rizika od razvoja određene bolesti. Ali istraživači iz Centra za istraživanje raka Johns Hopkins Kimmel pozivaju ih da uzmu vremena.
Nalazi znanstvenika ne znače da sekvenciranje genoma nema medicinsku vrijednost. “Prvo, sekvenciranje genoma ostaje najbolji alat za predviđanje 'obiteljskih' bolesti kao što su rak i neke druge,” kaže profesor onkologije Bert Vogelstein. - Drugo, detaljno proučavanje genoma pojedinca pomaže boljem razumijevanju mehanizma bolesti koja se kod njega već javlja i točnijem odabiru individualne terapije za njega. Međutim, u slučaju zdrave osobe, genom prestaje biti pouzdan prediktor.”
Istraživači su pratili razvoj 24 bolesti kod više od 50 tisuća blizanaca iz 5 zemalja koji su bili podvrgnuti sekvenciranju genoma. Rezultati su pokazali da je u slučaju 23 bolesti analiza genoma dala negativan rezultat i klasificirala rizik od njihovog razvoja kao "nizak". Međutim, prema profesoru Vogelsteinu, to ne znači da određena osoba neće razviti bolest. "To jednostavno znači da je njegov osobni rizik nešto niži od prosječnog rizika populacije, što bi moglo biti vrlo značajno", kaže istraživač. "Dakle, čak ni negativan rezultat ne jamči odsutnost bolesti u budućnosti." U isto vrijeme, rizik od 4 od 24 bolesti - bolesti srca kod muškaraca, autoimunog tireoiditisa, dijabetesa tipa I i Alzheimerove bolesti - dosljedno je određen u ¾ slučajeva, što nam omogućuje da sekvenciranje genoma nazovemo prilično pouzdanim načinom određivanja sklonost ovim bolestima.
Moderna genomika.
Dugo se vremena genom nazivao haploidnim skupom kromosoma. Akumulacija informacija o informacijskoj ulozi izvankromosomske DNA promijenila je definiciju pojma "genom". Trenutno, to znači kompletan sastav DNK stanice, tj. ukupnost svih gena i intergenskih regija. Genom možemo smatrati cjelovitim skupom uputa za formiranje i funkcioniranje pojedinca.
Opća načela izgradnje genoma te njihovu strukturnu i funkcionalnu organizaciju proučava genomika, koja provodi sekvenciranje, mapiranje i identifikaciju funkcija gena i ekstragenih elemenata. Metode genomike usmjerene su na dešifriranje novih obrazaca bioloških sustava i procesa. Ljudska genomika temelj je molekularne medicine i od ključne je važnosti za razvoj metoda dijagnostike, liječenja i prevencije nasljednih i nenasljednih bolesti. Za medicinu su istraživanja u području genomike patogenih mikroorganizama od iznimne važnosti, jer rasvjetljavaju prirodu infektivnog procesa i stvaranje lijekova usmjerenih na specifične bakterijske mete.
Genomika se, unatoč svojoj “mladosti”, dijeli na nekoliko gotovo neovisnih područja: strukturnu, funkcionalnu, komparativnu, evolucijsku i medicinsku genomiku.
Strukturna genomika proučava slijed nukleotida u genomima, utvrđuje granice i strukturu gena, međugenskih regija i drugih strukturnih genetskih elemenata (promotori, pojačivači i dr.), t.j. izrađuje genetske, fizičke i transkriptne mape tijela.
Funkcionalna genomika. Istraživanja u području funkcionalne genomike usmjerena su na utvrđivanje funkcija svakog gena i regije genoma te njihove interakcije u staničkom sustavu. Očito, to će se učiniti proučavanjem sklopova proteina u različitim stanicama. Ovo područje istraživanja naziva se proteomika.
Komparativna genomika proučava sličnosti i razlike u organizaciji genoma različitih organizama kako bi razjasnila opće obrasce njihove strukture i funkcioniranja.
Evolucijska genomika objašnjava evolucijske putove genoma, podrijetlo genetskog polimorfizma i bioraznolikosti te ulogu horizontalnog prijenosa gena. Evolucijski pristup proučavanju ljudskog genoma omogućuje praćenje trajanja formiranja genskih kompleksa, pojedinačnih kromosoma, stabilnosti njegovih dijelova, nedavno otkrivenih elemenata "nekonstantnosti" genoma, procesa formiranja rasa, i evolucija nasljedne patologije.
Medicinska genomika rješava primijenjena pitanja kliničke i preventivne medicine na temelju poznavanja ljudskih genoma i patogenih organizama (primjerice, dijagnostika nasljednih bolesti, genska terapija, razlozi virulencije patogena i dr.).
Svi koraci evolucije žive prirode, nedvojbeno, morali su biti fiksirani u informacijskom sustavu DNA (a za neka bića - u RNA), kao iu njegovoj organizaciji u stanici kako bi izvršili konzervativnu funkciju očuvanja naslijeđa i suprotno funkcija – održavanje varijabilnosti. Ova ideja o formiranju genoma svake vrste je najrazumnija. U odnosu na ljudski genom, možemo reći da je ljudska evolucija evolucija genoma. Tu ideju sada potvrđuju brojne molekularne genetske studije, budući da je postalo moguće uspoređivati genome različitih vrsta sisavaca, uključujući i čovjekolike majmune, kao i unutar vrste Homo sapiens, genome različitih rasa, etničkih skupina, ljudskih populacija. i pojedinaca.
Organizacija genoma svake eukariotske vrste je sekvencijalna hijerarhija elemenata: nukleotida, kodona, domena, gena s intergenskim regijama, složenih gena, krakova kromosoma, kromosoma, haploidnog skupa zajedno s ekstrakromosomskom i ekstranuklearnom DNA. U evolucijskoj transformaciji genoma, svaka od ovih hijerarhijskih razina mogla bi se ponašati potpuno diskretno (mijenjati se, kombinirati s drugima, itd.).
Naše razumijevanje ljudskog genoma veliko je područje ljudske genetike, uključujući barem koncepte "inventara" gena, poveznih skupina, mapiranja gena (lokalizacije), sekvenciranja cjelokupne DNK (geni, njihove mutacije i kromosomi kao cjelina), mejotičke transformacije, funkcioniranje pojedinih gena i njihove interakcije, integracija strukture i funkcije genoma kao cjeline. Opsežan višegodišnji međunarodni program “Ljudski genom” (od 1990. do 2000.) bio je usmjeren na rješavanje svih ovih pitanja. Glavni smjer rada bilo je sekvencijalno sekvenciranje dijelova genoma i njihovo "spajanje". Uspješan razvoj u ovom području dodao je kliničko-genetski aspekt programu.
Kliničke primjene informacija o ljudskom genomu
Sustavno proučavanje ljudskog genoma zapravo je počelo korištenjem Mendelove analize ljudskih nasljednih osobina (početak 20. stoljeća). Genealoška metoda tada je ušla u raširenu praksu i korak po korak počeo se gomilati materijal o "inventaru" diskretnih nasljednih osobina osobe, ali se taj proces postupno usporavao (u 50 godina ne više od 400 mendelskih osobina i 4 skupine veza). su otkriveni), mogućnosti kliničke i genealoške metode u čistom obliku su iscrpljene.
Nagli napredak humane citogenetike, biokemijske genetike i posebice genetike somatskih stanica 60-ih godina prošlog stoljeća, u kombinaciji s genealoškim pristupom, postavio je proučavanje ljudskog genoma na novu teorijsku osnovu i visoku metodološku razinu. Otkriće novih ljudskih Mendelovih osobina počelo je brzo napredovati, osobito na biokemijskoj i imunološkoj razini, i pojavile su se mogućnosti za proučavanje povezanosti i lokalizacije gena.
Poseban poticaj proučavanju ljudskog genoma dale su molekularne genetičke metode, odnosno tehnologija genetskog inženjeringa (70-ih). Proces razumijevanja genoma produbio se do izolacije gena u njegovom čistom obliku i njegovog sekvenciranja.
Za razliku od klasične genetike, u novoj se genetici promijenio pristup analizi gena. U klasičnoj genetici redoslijed je bio sljedeći: identifikacija Mendelove osobine -> lokalizacija gena u kromosomu (ili spojnoj skupini) -> primarni genski produkt -> gen. U suvremenoj genetici postao je moguć i obrnuti pristup: izolacija gena -> sekvenciranje -> primarni produkt, te je stoga uveden novi termin za definiranje ovog pravca istraživanja: “reverzna genetika” ili “reverzna genetika”.
Nastavlja se usavršavanje molekularno-genetičkih metoda i, ne manje važno, njihova automatizacija. U SAD-u i Velikoj Britaniji razvijeni su i implementirani uređaji za automatsko sekvenciranje genoma. Zvali su ih genomotroni. Izvode do 100 000 reakcija polimeraze na sat. To znači da se regija (ili regije) od nekoliko milijuna parova baza može sekvencirati unutar tjedan dana.
Računalna tehnologija i informacijski sustavi igraju veliku ulogu u dešifriranju ljudskog genoma. Zahvaljujući njima, rješavaju se pitanja prikupljanja informacija (baza podataka) iz različitih izvora, njihova pohrana i promptnog korištenja od strane istraživača iz različitih zemalja.
Trenutno proučavanje genoma nije ograničeno na mapiranje gena; postalo je moguće proučavati slijed nukleotida u bilo kojem genu. Odlučujući korak u rješavanju ovog problema bila je uporaba posebnih restrikcijskih endonukleaza i razvoj metode za kloniranje gena.
Restrikcijske endonukleaze (restrikcijski enzimi) su enzimi koji cijepaju DNA na određenim mjestima u nukleotidnim sekvencama koje prepoznaju. Ti se enzimi nalaze u mnogim bakterijama. Oni identificiraju i uništavaju strane molekule DNK koje uđu u stanicu, uključujući i one kada su zaražene fagima ili tijekom transformacije. Otkriveno je više od 100 takvih enzima, a svaki od njih prepoznaje određeni niz od 4-6 nukleotida u DNA. Svaki restrikcijski enzim sposoban je prerezati dvostruku spiralu DNA bilo koje duljine. Ovo proizvodi niz fragmenata koji se nazivaju restrikcijski fragmenti. Usporedba veličina ovih fragmenata dobivenih obradom bakterijskih ili plazmidnih genoma (kao i DNA eukariotskih kromosoma) omogućuje stvaranje restrikcijskih mapa, koje pokazuju lokalizaciju svakog odjeljka u odnosu na susjedne dijelove drugih takvih odjeljaka (ograničenja) .
Značajno je da mnogi restrikcijski enzimi uvode prekide u oba lanca DNA s pomakom od nekoliko nukleotida. Kao rezultat toga, na kraju lanca jednog fragmenta nastaje regija čiji su nukleotidni nizovi komplementarni nukleotidnim nizovima drugog lanca na drugom kraju fragmenta. Takvi terminalni nizovi, međusobno komplementarni, nazivaju se ljepljivi krajevi. Uz njihovu pomoć, rezultirajući restrikcijski fragmenti ponovno će formirati prstenove kao rezultat uparivanja ljepljivih krajeva. Sposobnost restrikcijskih nukleaza da režu DNA kako bi stvorili ljepljive krajeve naširoko se koristi u tehnologiji stvaranja rekombinantne DNA, budući da je uz pomoć takvih krajeva moguće spojiti bilo koja dva fragmenta DNA ako su dobiveni korištenjem istog restrikcijskog enzima i, dakle, imaju komplementarne ljepljive krajeve. Nakon što se potonji zatvore formiranjem komplementarnih parova baza, rezultirajući prsten fragmenata različitih DNA može se spojiti zajedno kovalentnim fosfodiesterskim vezama između suprotnih krajeva svakog lanca DNA pomoću DNA ligaze. To je bit tehnologije za proizvodnju rekombinantnih molekula DNA.
Prvo je proučavan genom bakterijskog virusa FX174. Njegov DNK se sastoji od 5400 nukleotida i sadrži 9 gena. Virus FX174 moguće je vidjeti samo elektronskim mikroskopom, a snimanje njegove genetske informacije sadržane u 9 gena u obliku linearnog niza kroz slova (A, T, G, C) zauzima cijelu stranicu teksta. Bilježenje u istom obliku informacija koje se nalaze u kromosomu životinjske stanice napravilo bi knjigu od više od 500 000 stranica!
Proučavanje ljudskog genoma počelo je 80-ih godina prošlog stoljeća. XX. stoljeća Nakon toga je stvorena Međunarodna organizacija za proučavanje ljudskog genoma HUGO (od engleske Organizacije ljudskog genoma). Znanstvenici iz SAD-a, Japana, niza europskih zemalja, Rusije itd. proučavaju ljudski genom.
Glavni zadatak je odrediti redoslijed svih nukleotida (a ima ih 3,5 109 parova) u sva 23 para ljudskih kromosoma. Potrebno je saznati molekularne osnove nasljednih bolesti i odrediti načine njihova liječenja, prije ili kasnije genska terapija će postati sasvim stvarna. Već se provodi DNK dijagnostika više od 100 nasljednih bolesti. Nakon što se otkrije struktura DNK, gena i dešifriranje genetskog koda, provedba Programa ljudskog genoma značit će najosnovniju revoluciju u biologiji i medicini.
5710 0
Postoji stajalište, koje dijeli značajan broj stručnjaka, da su sve ljudske bolesti s izuzetkom ozljeda povezane s genetskim defektima. Očito, ovo je ekstremno gledište, ali svejedno odražava važnost genetskih čimbenika u određivanju zdravlja ljudi. Genetski defekti dolaze u različitim stupnjevima težine i stanja.
Iako se dijabetes i mišićna distrofija obično smatraju bolestima, a rascjep nepca ili sljepoća za boje nasljednim defektima, svi su oni rezultat mutacija u genetskom materijalu. Također se pokazalo da sklonost bolesti ovisi i o genetskoj konstituciji.
Genetski defekti ili mutacije u sekvenci DNA izražavaju se u zamjeni jednog nukleotida drugim, gubitku cijelog fragmenta ili njegovom prijenosu na drugu poziciju u genomu itd. Takve promjene mogu dovesti do promjena u strukturi (i funkciji) proteina koji je kodiran ovim fragmentom DNA ili na promjene u regijama regulatornih gena koje su fatalne za stanice. Kada govorimo o nasljednim bolestima, mislimo na mutacije koje se javljaju u spolnim stanicama i prenose se na potomstvo.
Mutacije se također nakupljaju u somatskim stanicama tijekom života, što može uzrokovati bolest, ali se ne nasljeđuju. Ranije se vjerovalo da su sve mutacije štetne. To je zbog činjenice da je s takvim mutacijama koje uzrokuju bolesti počelo proučavanje ljudskih genetskih karakteristika. Ali sada, kada je pročitan gotovo cijeli tekst o ljudskim nukleotidima, postalo je jasno da je većina mutacija neutralna. Štetne mutacije koje dovode do velikih poremećaja u razvoju organizma uklanjaju se selekcijom - njihovi nositelji ne prežive ili ne daju potomstvo.
Ogroman napredak u razumijevanju načina na koji naslijeđeni geni utječu na fizičke i psihičke karakteristike osobe dogodio se posljednjih desetljeća zahvaljujući otkrićima u proučavanju ljudskog genoma. Brojne genetske bolesti, kao i predispozicije za njih, identificirane su i dijagnosticirane, i to u vrlo ranim fazama razvoja embrija. Velike nade za proširenje mogućnosti moderne medicine povezane su s provedbom Projekta ljudskog genoma.
Provedba znanstvenog projekta “Ljudski genom”
Human Genome Scientific Project je međunarodni program čiji je krajnji cilj bio određivanje sekvence nukleotida (sekvenciranje) cjelokupne ljudske genomske DNA, kao i identifikacija gena i njihova lokalizacija u genomu (mapiranje). Godine 1988. Ministarstvo energetike SAD-a i Nacionalni instituti za zdravlje SAD-a predstavili su opsežan projekt koji je uključivao sekvenciranje genoma ljudi, kao i bakterija, kvasaca, nematoda, vinskih mušica i miševa - organizama koji su naširoko korišteni kao modelni sustavi u proučavanju ljudske genetike.Kongres je za provedbu ovog projekta izdvojio 3 milijarde dolara. (jedan dolar za svaki nukleotid ljudskog genoma). Dobitnik Nobelove nagrade James Watson imenovan je direktorom projekta. U projekt su se uključile i druge zemlje – Engleska, Francuska, Japan itd.
Godine 1989., na inicijativu akademika A.A. Baeva, u našoj zemlji organizirano je znanstveno vijeće za program “Ljudski genom”. Godine 1990. stvorena je Međunarodna organizacija za ljudski genom (HUGO), čiji je potpredsjednik nekoliko godina bio akademik A.D. Mirza-beyov. Bez obzira na doprinos i nacionalnu pripadnost pojedinih sudionika programa, od samog početka sve informacije koje su dobivali tijekom rada bile su otvorene i dostupne svim njegovim sudionicima.
Dvadeset i tri ljudska kromosoma podijeljena su među zemljama sudionicama. Ruski znanstvenici morali su proučavati strukturu 3. i 19. kromosoma. Međutim, uskoro su sredstva za ovaj projekt znatno smanjena, a naša država nije stvarno sudjelovala u sekvenciranju. Unatoč tome, rad na genomskom projektu u našoj zemlji nije prestao: program je revidiran i usmjeren na razvoj bioinformatike - matematičkih metoda, računalne tehnologije, softvera, poboljšanja metoda za opisivanje i pohranjivanje genomskih informacija koje bi pomogle u razumijevanju i razumijevanju dešifrirane informacija.
Bilo je potrebno 15 godina da se dešifrira ljudski genom. Međutim, stalni razvoj tehnologije sekvenciranja omogućio je da projekt bude dovršen 2 godine ranije. Značajnu ulogu u intenziviranju rada odigrala je privatna američka tvrtka Celera na čelu s J. Venterom (nekadašnjim biologom američkog Nacionalnog instituta za zdravlje). Dok je u prvim godinama projekta nekoliko milijuna nukleotidnih parova sekvencionirano diljem svijeta godišnje, do kraja 1999. Celera je dešifrirala najmanje 10 milijuna nukleotidnih parova dnevno. Da bi se to postiglo, 250 robotskih instalacija radilo je 24 sata na dan u automatskom načinu; informacije su odmah prebačene u banke podataka, gdje su sistematizirane, označene i objavljene na Internetu.
Radeći 1995. godine, Venter i njegovi suautori razvili su i objavili potpuno novi pristup sekvencioniranju genoma nazvan nasumično sekvenciranje cijelog genoma (poznatije kao nasumično frakcijsko sekvenciranje), koji je omogućio sastavljanje kompletnog genoma iz djelomično sekvenciranih fragmenata DNK pomoću računala model .
Ovom metodom prvi je u potpunosti sekvencioniran genom samoreplicirajućeg slobodnoživućeg organizma – bakterije Haemophilus in-fluenzae Rd. Kopije bakterijske DNA izrezane su na komade proizvoljne duljine od 200 do 1600 bp. Ti su fragmenti poredani nekoliko stotina sa svakog kraja. Osim toga, duži fragmenti od 15-20 kb su sekvencirani. Dobivene sekvence unosile su se u računalo koje ih je uspoređivalo, raspoređivalo u skupine i prema sličnosti.
Prvo su identificirane sekvence koje se ne ponavljaju, a zatim ponovljene sekvence fragmenata. Dugi fragmenti pomogli su uspostaviti poredak često ponavljanih, gotovo identičnih nizova. Potom su popunjene praznine između dobivenih velikih dijelova DNK. Sekvenciranje genoma Haemophilus influenzae trajalo je godinu dana i utvrđena je sekvenca od 1.830.137 bp. i 1749 gena smještenih na 24304 fragmenta.
Bio je to nedvojbeni uspjeh i dokazano je da se nova tehnologija može primijeniti za brzo i precizno sekvenciranje cijelih genoma. Godine 1996. mapiran je genom prve eukariotske stanice, kvasca, a 1998. prvi put je sekvenciran genom višestaničnog organizma, okrugle gliste Caenorhabolits elegans.
U veljači 2001. radna verzija ljudskog genoma (90% dovršeno) istovremeno je objavljena u časopisima “Nature” - rezultati HUGO-a i “Science” - rezultati istraživanja Celera. Analiza dobivene varijante ljudskog genoma otkrila je oko 25 tisuća gena. Prethodno se pretpostavljalo da bi taj broj trebao doseći 140 tisuća (na temelju postulata "jedan gen kodira jedan protein"). Trenutno se čini mogućim da jedan gen može kodirati 5-6 proteina. Raznolikost proteina kodiranih istim genom osigurava nekoliko mehanizama: alternativnim spajanjem, posttranslacijskim transformacijama proteina - fosforilacija, acetilacija, metilacija, glikozilacija i mnogi drugi.
Godine 2003. objavljena je konačna kompletna sekvenca ljudskog genoma. Sve ove informacije su dostupne i mogu se pronaći na internetu na nekoliko stranica. Međutim, neki elementi genoma još uvijek nisu podložni sekvenciranju modernim tehnologijama, a naše znanje o genomu ostaje nepotpuno. Pokazalo se da samo 30% genoma kodira proteine i uključeno je u regulaciju djelovanja gena.
Koje su funkcije preostalih regija genoma i postoje li uopće, ostaje potpuno nejasno. Oko 10% genoma sastoji se od tzv. Alu elemenata, dugih oko 300 bp. Pojavili su se niotkuda tijekom evolucije samo među primatima. Kad su dospjeli do ljudi, razmnožili su se u pola milijuna primjeraka i rasporedili po kromosomima na najbizarniji način.
Što se tiče kodirajućih područja DNK, u čisto molekularnoj računalnoj analizi oni su nazvani geni prema čisto formalnim kriterijima: prisutnost interpunkcijskih znakova potrebnih za čitanje informacija i sintezu specifičnog genskog proizvoda. Međutim, vrijeme i djelovanje većine potencijalnih gena još su nejasni i moglo bi proći najmanje sto godina da se utvrde njihove funkcije.
NA. Voinov, T.G. Volova
Dana 25. travnja, sada davne 1953. godine, časopis Nature objavio je malo pismo mladih i nepoznatih F. Cricka i J. Watsona uredniku časopisa, koje je počelo riječima: “Željeli bismo iznijeti svoja razmišljanja o struktura DNA soli. Ova struktura ima nova svojstva koja su od velikog biološkog interesa." Članak je sadržavao 900-tinjak riječi, ali - nije pretjerivanje - svaka je zlata vrijedila.
“Rugava mladost” usudila se progovoriti protiv nobelovca Linusa Paulinga, autora poznate alfa spirale proteina. Samo dan ranije Pauling je objavio članak prema kojem je DNK trolančana spiralna struktura, poput djevojačke pletenice. Nitko tada nije znao da Pauling jednostavno ima nedovoljno pročišćen materijal. Ali pokazalo se da je Pauling djelomično bio u pravu - sada je trostruka priroda nekih dijelova naših gena dobro poznata. Svojedobno su čak pokušali iskoristiti ovo svojstvo DNA u borbi protiv raka, isključivši određene gene raka (onkogene) pomoću oligonukleotida.
Biologija nukleinske kiseline dugo nije imala sreće. Dovoljno je reći da je prvu Nobelovu nagradu za otkriće strukture nukleotida dobio Nijemac A. Kossel još 1910. godine. A poznata Feulgenova reakcija za bojenje DNK predložena je uoči Prvog svjetskog rata i poboljšana u 1920-ih. Tada bi mogla početi nova era biologije, međutim...
Međutim, biolozi su bili uvjereni da "monotona" DNK, sa svoje samo četiri različite baze, jednostavno ne može nositi genetske informacije za milijune različitih proteina. I premda je već bila korištena Morseova abeceda s tri kodna elementa, mentalitet istraživača još nije dosegao razinu informacijske ere sa svojim binarnim sustavom snimanja (“0” i “1”) za bilo kakvu informaciju.
Tek početkom 1950-ih. Neki znanstvenici počeli su obraćati pažnju na DNK, čiju je ulogu u prijenosu nasljednih karakteristika kod mikroorganizama 1943. godine utvrdio Oswald Avery. Averyjevim rezultatima povjerovao je Salvador Luria, koji je zajedno s Maxom Delbruckom organizirao laboratorij u blizini New Yorka u biološkoj stanici u gradu Cold Spring Harbor.
Napomenimo u zagradama da je fizičar M. Delbrück bio učenik N.V. Timofejev-Resovski u biologiji i koautor njihovog poznatog članka s K. Zimmerom o određivanju veličine gena. Luria i Delbrück proučavali su životni ciklus bakteriofaga - virusa mikroorganizama, na temelju čega su došli do pretpostavki o biološkoj ulozi DNA. Luria je poslao svog diplomskog studenta Jamesa Watsona u Cavendish Laboratory u Cambridgeu, gdje su Maurice Wilkins i Rosalind Franklin proučavali strukturu DNK pomoću X-zraka (Britanci su bili vodeći u analizi difrakcije X-zraka biomolekula).
U Wilkinsovom laboratoriju radio je i relativno mladi fizičar Francis Crick, poznat u uskim laboratorijskim krugovima po svom znanstvenom skepticizmu: za njega jednostavno nije bilo autoriteta, čime je stekao reputaciju svađalice. Paulingov je članak u laboratorij donio njegov sin, koji je, usput rečeno, pomogao Watsonu i Cricku razumjeti ulogu komplementarnih spojeva dušikovih baza u paru. Članak je bio kap koja je prelila čašu prije uvida, odnosno razumijevanja... koje se oblikovalo u otkriću mladih znanstvenika.
Znanstvena zajednica, međutim, nije odmah prepoznala njihovo otkriće. Dovoljno je reći da su Nobelovu nagradu za rad na području DNK prvi put dodijelili “suci” iz Stockholma 1959. godine slavnim američkim biokemičarima Severu Ochoi i Arthuru Kornbergu. Ochoa je prvi (1955.) sintetizirao ribonukleinsku kiselinu (RNA). Kornberg je dobio nagradu za sintezu DNA in vitro (1956).
Godine 1962. došao je red na Cricka, Watsona i Wilkinsa. R. Franklin je već preminuo od raka u 37. godini, inače bi ovo bio jedini put u povijesti Nobelovih nagrada da bi nagradu dobila četvorica, iako to povelja ne dopušta. Franklinov doprinos razvoju rendgenske difrakcijske analize DNK bio je jednostavno neprocjenjiv.
Nakon otkrića Watsona i Cricka, najvažniji problem bio je utvrditi korespondenciju između primarnih struktura DNA i proteina. Budući da proteini sadrže 20 aminokiselina, a postoje samo 4 nukleinske baze, potrebne su najmanje tri baze za bilježenje informacija o slijedu aminokiselina u polinukleotidima. Na temelju takvog općeg razmišljanja, varijante "troslovnih" genetskih kodova predložili su fizičar G. Gamov i biolog A. Neyfakh. Međutim, njihove su hipoteze bile čisto spekulativne i nisu izazvale veliki odziv među znanstvenicima.
Genetski kod od tri slova dešifrirao je F. Crick do 1964. godine. Malo je vjerojatno da je tada zamišljao da će u doglednoj budućnosti biti moguće dešifrirati ljudski genom. Taj se zadatak dugo vremena činio nepremostivim. Međutim, dva su otkrića omogućila pomicanje problema naprijed.
Godine 1970., nepoznati općoj znanstvenoj zajednici, G. Temin i D. Baltimore objavili su članke u Natureu o reverznoj transkriptazi (RT), enzimu virusa koji sadrže RNK, uključujući i one raka, koji sintetiziraju DNK na šabloni RNK, tj. provesti reakciju suprotnu od one prethodno uočene u stanicama.
Otkriće reverzne transkriptaze omogućilo je izolaciju prvih gena. Ali ovaj proces je bio izuzetno naporan i izuzetno skup. A 15 godina kasnije, određeni kemičar iz Kalifornije predložio je svojim kolegama jedinstvenu lančanu reakciju polimeraze (PCR), koja je odmah postala poznata. U ovoj reakciji, enzim, polimeraza, "hoda kao šatl" duž fragmenta DNK, tako da vam PCR omogućuje proizvodnju bilo koje količine tog fragmenta potrebne za analizu*.
PCR, kao i pojava najnovije elektroničke tehnologije i računala, učinili su zadatak dešifriranja cijelog ljudskog genoma sasvim realnim. Duga rasprava završila je krajem rujna 1988., kada je J. Watson postavljen na čelo projekta HUGO - Human Genome Organization.
Časopis Time nazvao je Watsona "lovcem na gene" u tom pogledu. Sam znanstvenik rekao je sljedeće: “Ovo je uzbudljiva perspektiva. Prije trideset godina nismo mogli ni sanjati da znamo strukturu genoma čak i najmanjeg virusa. A danas smo već dešifrirali genom virusa AIDS-a i gotovo u potpunosti pročitali genom Escherichie coli s volumenom od 4,5 milijuna slova genskog koda. Nevjerojatno je znati točnu detaljnu strukturu ljudskog genoma!”
I sada je genom očitan
Završetak rada na dešifriranju ljudskog genoma od strane konzorcija znanstvenika planiran je za 2003. godinu, 50. obljetnicu otkrića strukture DNK. No, konkurencija je i na ovom području rekla svoje.
Craig Venter osnovao je privatnu tvrtku pod nazivom Selera koja prodaje sekvence gena za velike novce. Uključivši se u utrku za dešifriranje genoma, u godinu dana učinila je ono za što je međunarodnom konzorciju znanstvenika iz različitih zemalja trebalo deset godina. To je postalo moguće zahvaljujući novoj metodi čitanja genetskih nizova i korištenju automatizacije procesa čitanja.
Dakle, genom je očitan. Čini se da bismo se trebali radovati, ali znanstvenici su bili zbunjeni: vrlo malo gena se pokazalo kod ljudi - oko tri puta manje od očekivanog. Nekada su mislili da imamo oko 100 tisuća gena, a zapravo ih je bilo oko 35 tisuća, ali to nije ni najvažnije.
Zbunjenost znanstvenika je razumljiva: Drosophila ima 13.601 gen, okrugli crvi imaju 19 tisuća, gorušica ima 25 tisuća gena. Tako mali broj gena kod ljudi ne dopušta nam da ga razlikujemo od životinjskog carstva i smatramo ga "krunom" stvaranja.
Ali tamo gdje se nalaze geni, aktivnost DNK i enzima koji sintetiziraju njezine kopije u obliku glasničkih RNK molekula povećava se 200-800 puta! To su "vruće točke" genoma.
U ljudskom genomu znanstvenici su izbrojali 223 gena koji su slični genima E. coli. E. coli nastala je prije otprilike 3 milijarde godina. Zašto su nam potrebni tako "drevni" geni? Očigledno su moderni organizmi od svojih predaka naslijedili neka temeljna strukturna svojstva stanica i biokemijske reakcije koje zahtijevaju odgovarajuće proteine.
Stoga nije iznenađujuće da polovica proteina sisavaca ima slične sekvence aminokiselina kao proteini Drosophila muhe. Uostalom, udišemo isti zrak i konzumiramo životinjske i biljne bjelančevine, koje se sastoje od istih aminokiselina.
Nevjerojatno je da 90% gena dijelimo s miševima, a 99% s čimpanzama!
Naš genom sadrži mnoge sekvence koje smo naslijedili od retrovirusa. Ti virusi, koji uključuju viruse raka i AIDS-a, sadrže RNK umjesto DNK kao nasljedni materijal. Značajka retrovirusa je, kao što je već spomenuto, prisutnost reverzne transkriptaze. Nakon sinteze DNA iz RNA virusa, virusni genom se integrira u DNA staničnih kromosoma.
Imamo mnogo takvih retrovirusnih sekvenci. S vremena na vrijeme oni "izbiju" u divljinu, što rezultira rakom (ali rak se, u potpunosti u skladu s Mendelovim zakonom, pojavljuje samo kod recesivnih homozigota, tj. u ne više od 25% slučajeva). Nedavno je došlo do otkrića koje nam omogućuje razumijevanje ne samo mehanizma umetanja virusa, već i svrhe nekodirajućih sekvenci DNK. Pokazalo se da je za integraciju virusa potreban određeni niz od 14 slova genetskog koda. Stoga se možemo nadati da će znanstvenici uskoro naučiti ne samo blokirati agresivne retroviruse, već i namjerno "uvesti" potrebne gene, a genska terapija pretvorit će se iz sna u stvarnost.
U tijelu sisavaca retrovirusi imaju još jednu važnu ulogu. U odnosu na sisavce, kod kojih se fetus razvija unutar majčinog tijela, opravdano je pitanje: zašto imunološki sustav majke dopušta razvoj organizma koji joj je napola genetski stran, budući da je pola genoma fetusa očevo?
Radi se o retrovirusima koji blokiraju aktivnost imunoloških T-limfocita odgovornih za odbacivanje organa i tkiva koji sadrže strane proteine, na primjer, nakon transplantacije organa. Ovi retrovirusi se aktiviraju u genomu stanica placente, koju formira fetalno tkivo.
Nedavno je otkriven virus koji blokira razvoj (ekspresiju) retrovirusa. Ako je trudni miš zaražen ovim blokirajućim virusom, mladunci se rađaju normalno i na vrijeme. Ali ako se unese u stanice placente, dolazi do pobačaja fetusa, jer se aktiviraju majčini T-limfociti.
Ne zaboravite da se retrovirusne sekvence također pojavljuju izravno na krajevima kromosoma - telomerama. Kao što znate, telomeri se sastoje od jednolančane DNA, koju sintetizira enzim telomeraza pomoću RNA šablone. Smatra se da su telomeri naš molekularni sat jer se skraćuju sa svakom diobom stanice. Ranije se vjerovalo da u telomerima nema gena, no dešifriranje genoma pokazalo je da gena ima dosta i da su aktivni u djetinjstvu i mladoj odrasloj dobi, postupno "nestajući" kako tijelo stari.
Nisu ni tandemske repeticije tako neaktivne. Obično imaju određeni broj ponavljajućih tri, pet pa čak i sedam slova. Ali u nekim slučajevima, kao rezultat mutacija, broj ponavljanja počinje se povećavati, što dovodi do nestabilnosti genoma. Čak ide toliko daleko da se "lome" krajevi kromosoma. Fragmentacija terminalnih dijelova kromosoma može dovesti do pomicanja (translokacije) dijelova DNA na drugi kromosom, kao i do sinteze takvih oblika proteina koji uzrokuju smrt živčanih stanica, kao što se opaža kod nasljedne Huntingtonove koreje.
K. Venter je rekao da će razumijevanje genoma trajati stotine godina. Uostalom, još uvijek ne znamo funkcije i uloge više od 25 tisuća gena. A ne znamo ni kako pristupiti rješavanju ovog problema, jer većina gena jednostavno "šuti" u genomu, ne manifestirajući se ni na koji način.
Treba uzeti u obzir da je u genomu akumulirano mnogo pseudogena i gena “promjene”, koji su također neaktivni. Čini se da nekodirajuće sekvence djeluju kao izolator za aktivne gene. U isto vrijeme, iako nemamo previše gena, oni omogućuju sintezu do 1 milijuna (!) najrazličitijih proteina. Kako se to postiže s tako ograničenim skupom gena?
Kako se pokazalo, u našem genomu postoji poseban mehanizam - alternativno spajanje. Sastoji se u sljedećem. Na uzorku iste DNA dolazi do sinteze različitih alternativnih mRNA. Spajanje znači "cijepanje" kada se formiraju različite molekule RNK, koje, takoreći, "dijele" gen na različite varijante. To rezultira nezamislivom raznolikošću proteina s ograničenim skupom gena.
Funkcioniranje ljudskog genoma, kao i svih sisavaca, regulirano je različitim transkripcijskim čimbenicima – posebnim proteinima. Ti se proteini vežu za regulatorni dio gena (promotor) i tako reguliraju njegovu aktivnost. Isti čimbenici mogu se različito manifestirati u različitim tkivima. Osoba ima svoje, samo za sebe, transkripcijske faktore. Znanstvenici tek trebaju identificirati te čisto ljudske značajke genoma.
SNP
Postoji još jedan mehanizam genetske raznolikosti, koji je otkriven tek u procesu čitanja genoma. Riječ je o pojedinačnom polimorfizmu nukleotida ili tzv. SNP faktorima.
U genetici, polimorfizam je situacija u kojoj geni za isto svojstvo postoje u različitim varijantama. Primjer polimorfizma ili, drugim riječima, višestrukih alela su krvne grupe, kada jedan kromosomski lokus (regija) može sadržavati varijante A, B ili O gena.
Singularnost na latinskom znači usamljenost, nešto jedinstveno. SNP je promjena u "slovu" genetskog koda bez "zdravstvenih posljedica". Vjeruje se da se kod ljudi SNP pojavljuje s učestalošću od 0,1%, tj. Svaka se osoba razlikuje od drugih po jednom nukleotidu na svakih tisuću nukleotida. Kod čimpanza, koje su starija vrsta i također mnogo heterogenija, broj SNP-ova kada se uspoređuju dvije različite jedinke doseže 0,4%.
Ali ako razlike u SNP-u ne utječu na zdravlje pojedinaca, zašto su onda zanimljive i važne? Prvo, proučavanje SNP-a je od velike teorijske važnosti. Omogućuju nam da usporedimo starost populacija i odredimo njihove migracijske rute. Na primjer, u muškom spolnom kromosomu (Y) identificirana su 22 SNP faktora, čijom je analizom kod 1007 Europljana utvrđeno da 80% europskih muškaraca ima sličan “SNP obrazac”, tj. "crtanje". To sugerira da je prije tisuća generacija 4/5 europskih muškaraca imalo zajedničkog pretka!
Ali i praktični značaj SNP-a je velik. Možda ne znaju svi da su danas najčešći lijekovi učinkoviti za ne više od četvrtine stanovništva. Minimalne genetske razlike uzrokovane SNP određuju učinkovitost lijekova i njihovu podnošljivost u svakom pojedinom slučaju. Tako je identificirano 16 specifičnih SNP kod pacijenata s dijabetesom. Ukupno je pri analizi 22. kromosoma utvrđeno mjesto 2730 SNP-ova. U jednom od gena koji kodiraju sintezu adrenalinskog receptora identificirano je 13 SNP-ova koji se mogu međusobno kombinirati dajući 8192 različite varijante (haplotipa).
Još nije sasvim jasno koliko će se brzo i u potpunosti primljene informacije početi koristiti. Za sada navedimo još jedan konkretan primjer.
Među astmatičarima je vrlo popularan lijek albuterol, koji djeluje s ovim adrenalinskim receptorom i suzbija napad gušenja. Međutim, zbog raznolikosti haplotipova ljudi, lijek ne djeluje na sve, a za neke je pacijente općenito kontraindiciran. To je zbog SNP-a: ljudi sa slijedom slova u jednom od gena TCTC (T-timin, C-citozin) ne reagiraju na albuterol, ali ako je terminalni citozin zamijenjen gvaninom (TCTCG), tada postoji reakcija, ali djelomična. Za ljude s timinom umjesto terminalnog citozina u ovoj regiji - TCTCT - lijek je toksičan!
Proteomika
Ova posve nova grana biologije, koja proučava strukturu i funkciju proteina te međusobne odnose, dobila je ime po genomici koja se bavi ljudskim genomom. Samo rođenje proteomike već objašnjava zašto je bio potreban program ljudskog genoma. Objasnimo na primjeru izglede za novi smjer.
Davne 1962. John Candrew i Max Perutz pozvani su u Stockholm iz Cambridgea zajedno s Watsonom i Crickom. Dobili su Nobelovu nagradu za kemiju za prvo dešifriranje trodimenzionalne strukture proteina mioglobina i hemoglobina, odgovornih za prijenos kisika u mišićima, odnosno crvenih krvnih stanica.
Podsjetimo, još početkom 1990-ih. dešifriranje strukture svakog novog proteina predstavljalo je značajne poteškoće. Svaka analiza trajala je do deset godina. I iako se nuklearna magnetska rezonancija (NMR) sada koristi umjesto X-zraka, potrebno je mnogo vremena i novca da se odredi prostorna struktura svakog proteina.
Proteomika čini ovaj rad bržim i jeftinijim. K. Venter je primijetio da je proveo 10 godina izolirajući i sekvencionirajući gen ljudskog adrenalinskog receptora, ali sada njegov laboratorij na to troši 15 sekundi. Još sredinom 90-ih. Pronalaženje “adrese” gena u kromosomima trajalo je 5 godina, u kasnim 90-ima – šest mjeseci, a 2001. – tjedan dana! Usput, informacije o SNP-ovima, kojih danas već ima na milijune, pomažu u bržem određivanju položaja gena.
Vratimo se proteomici. Poznavanje sekvenci aminokiselina i trodimenzionalne strukture pojedinih proteina omogućilo je razvoj programa za usporedbu genetskih sekvenci s aminokiselinama, a zatim i programa za njihovo pretpostavljeno mjesto u trodimenzionalnoj strukturi polipeptida. Poznavanje trodimenzionalne strukture omogućuje vam brzo pronalaženje kemijskih varijanti molekula u kojima je, primjerice, aktivno središte blokirano ili određivanje položaja aktivnog središta u mutiranom enzimu.
Poznato je da povećanje krvnog tlaka uzrokuje enzim ACE, čiji je skraćeni naziv s engleskog preveden kao enzim koji pretvara angiotenzin. Angiotenzin, nastao pod djelovanjem enzima, djeluje na stijenke arterije, što dovodi do hipertenzije. Relativno davno otkriveni su blokatori enzima ACE i počeli su se prodavati kao lijekovi za visoki krvni tlak. Međutim, pokazalo se da su ti lijekovi neučinkoviti.
Analiza genoma omogućila je izolaciju gena ACE-2, koji kodira uobičajeniju i učinkovitiju varijantu enzima. Zatim je određena virtualna struktura proteinskog produkta, nakon čega su odabrane kemijske tvari koje se aktivno vežu na protein ACE-2. Ovako je pronađen novi lijek protiv krvnog tlaka, i to upola kraće i za samo 200 umjesto 500 milijuna dolara!
Priznajemo da je ovo bio primjer "predgenomskog" razdoblja. Sada, nakon čitanja genoma, u prvi plan dolazi proteomika čiji je cilj brzo razumijevanje milijuna proteina koji bi potencijalno mogli postojati u našim stanicama. Proteomika će omogućiti temeljitiju dijagnostiku genetskih abnormalnosti i blokirati štetne učinke mutantnih proteina na stanicu.
I s vremenom će biti moguće planirati "ispravljanje" gena.
Ljudski genomDekodiranje ljudskog genoma događaj je jednako važan u povijesti čovječanstva poput otkrića struje, izuma radija ili stvaranja računala.
Malo povijesti. U 1988. godine Američki nacionalni institut za zdravlje započeo je projekt "Ljudski genom", na čelu s nobelovcem James Watson. Glavni cilj projekta je utvrditi redoslijed nukleotidnih baza u svim ljudskim molekulama DNA i utvrditi lokalizaciju, tj. potpuno mapirati sve ljudske gene.
Planirano je da će se raditi na određivanju sekvence nukleotida ljudske DNK ( Sekvenciranje DNA) mora krajem 2005. Međutim, nakon prve godine rada postalo je jasno da je brzina sekvenciranja DNK vrlo mala i da bi bilo nemoguće završiti posao takvim tempom trebat će oko 100 godina.
Postalo je očito da je to potrebno traganje za novim tehnologijama sekvenciranje, stvaranje nove računalne tehnologije i originalnih računalnih programa. Bilo je nemoguće unutar jedne države, a programu su se pridružile i druge zemlje.
Počela su se provoditi velika koordinirana istraživanja pod pokroviteljstvom međunarodne organizacije ^ Organizacija za ljudski genom (HUGO). Od 1989. godine u projekt se uključila i Rusija. Svi ljudski kromosomi podijeljeni su između zemalja sudionica, a Rusija ih je dobila na istraživanje Kromosomi 3, 13 i 19. Bili uključeni u projekt nekoliko tisuća znanstvenika iz 20 zemalja.
1996. stvorene su svjetske banke podataka ljudske DNK. Svaki novoutvrđeni nukleotidni slijed veći od 1 tisuću baza morao je biti javno objavljen putem interneta u roku od 24 sata nakon dešifriranja, inače se članci s tim podacima ne bi prihvaćali u znanstvene časopise. Svaki stručnjak na svijetu mogao bi koristiti ovu informaciju.
Do početka 1998. samo oko ^3% genoma. U to se vrijeme u posao neočekivano uključila privatna američka tvrtka iz Marylanda. Celera Genomics pod vodstvom Craig Venter, koji je najavio da će posao završiti 4 godine prije međunarodnog konzorcija.
Počela je utrka bez presedana u znanosti. Dvije ekipe radile su neovisno, ne štedeći napore da stignu prve do cilja. Tijekom provedbe Projekta ljudskog genoma razvijene su mnoge nove istraživačke metode od kojih većina značajno ubrzava i pojeftinjuje dekodiranje DNK. Ove metode analize sada se koriste u medicini, forenzici itd.
U lipnju 2000. god godine, dva natjecateljska tima spojila su svoje podatke, službeno proglasivši završetak svog rada. I u veljače 2001 pojavile su se znanstvene publikacije nacrta strukture ljudskog genoma. Kvaliteta sekvenciranja je prilično visoka i samo pretpostavlja 1 greška na 50 kb.
Ljudski genom ušao je u povijest kao jedan od najzahtjevnijih i najskupljih projekata. Ukupno više od ^ 6 milijardi dolara.
Postavlja se prirodno pitanje: kakav je genom osobe određen kao rezultat tih titanskih napora, tko je ta osoba? Prema dostupnim podacima, Celera se uglavnom fokusirao na genom jedne osobe za koju se zna samo da je bio bijelac sredovječnog muškarca. Najvjerojatnije je to bio sam šef korporacije, Craig Venter. Međunarodni konzorcij je u svom radu koristio materijale najmanje sedam različitih ljudi.
Ljudski genom sastoji se od 24 kromosoma I 3,2 milijarde bp Ljudski kromosomi bili su numerirani prema veličini: najveći je na kromosomu 1, najmanji je na kromosomu 22. S vremenom se pokazalo da kromosom 22 sadrži više DNK od kromosoma 21, no redoslijed numeriranja nije mijenjan da ne bi došlo do zabune. Postoje dva odvojena spolna kromosoma: X i Y (konvencionalno se mogu nazvati svezaci br. 23 i br. 24 Enciklopedije ljudskog genoma).
^ U ženskom genomu sadržano samo 23 kromosoma od 24, a svi su u somatskim stanicama zastupljeni u dva primjerka. Kod muškaraca stanice sadrže potpunu Human Encyclopedia, svih 24 kromosoma, ali dva od njih (kromosomi X i Y) postoje u jednom primjerku.
Različiti kromosomi međusobno se jako razlikuju brojem i svojstvima gena(prvi, najveći, kromosom sadrži 263 milijuna bp, što čini 2237 gena, a kromosom 21 sadrži 50 milijuna bp i 82 gena). www. ansambl. org
Kromosomi se razlikuju i po važnosti informacija koje su u njima zapisane. Broj gena povezanih s raznim bolestima najviše na X kromosomu – 208; u 1 hms – 157; a u 11 hms - 135. Najmanje je takvih gena u Y hms - samo 3. Međutim, samo ukupnost svih kromosoma daje stanicama potpunu informaciju koja omogućuje čovjeku normalan razvoj i život. U nedostatku bilo kojeg para kromosoma, život određene jedinke postaje nemoguć.
Ako se izgubi iz bilo kojeg razloga samo jedan od para stanje kromosoma osobe vrlo se razlikuje od norme. Na primjer, djelomična monosomija 5. kromosom vodi do sindrom cry cat. Djeca s ovom anomalijom imaju neobičan plač, koji je uzrokovan promjenama na grkljanu, kao i na lubanji i licu.
U ljudskim stanicama DNK je također dostupna, koji se ne nalazi u kromosomima, već u mitohondrijima. Ovo je također dio ljudskog genoma, tzv M kromosom. Za razliku od nuklearnog genoma, mitohondrijski geni su raspoređeni kompaktno, kao u bakterijskom genomu, i imaju svoj vlastiti genetski kod (neka vrsta "genetskog žargona"). MitDNA je odgovorna za sintezu samo nekoliko proteina u stanici. Ali ti su proteini vrlo važni za stanicu jer su uključeni u opskrbu stanice energijom.
Vjeruje se da su se mitohondriji pojavili u eukariotskim stanicama kao rezultat simbioze viših organizama s aerobnim bakterijama.
MitDNA se prenosi s generacije na generaciju samo po ženskoj liniji. Tijekom oplodnje, spermij s nizom očevih kromosoma, ali bez očinskih mitohondrija, ulazi u jaje. Samo jaje daje svoju mitDNA embriju. Stoga je mitDNA prikladan za korištenje odrediti stupanj odnosa kako unutar vrsta tako i između različitih svojti.
Jedan od ciljeva istraživanja ljudskog genoma bio je konstruirati točnu i detaljnu kartu svih kromosoma. Genetska karta je dijagram koji opisuje redoslijed kojim su geni i drugi genetski elementi smješteni na kromosomu. ( snips-repeat-geni).
U kodiranje nema više uključenih proteina 1,5 % ljudska kromosomska DNA ( oni. Genetske upute za nastanak ljudske jedinke zauzimaju samo 3 cm dvometarske molekule ljudske DNA).
Analiza ljudskog genoma otkrila je da on ima oko ^ 40 tisuća. geni (za danas). Najkraći geni sadrže samo 20 bp (endorfinski geni, izazivajući osjećaj zadovoljstva). Najduži gen koji kodira jedan od mišićnih proteina(miodistrofina), sadrži oko 2,5 milijuna bp
^ Gustoća geni na kromosomima jako variraju. Prosječna gustoća je cca. 10 gena na 1 milijun bp. Međutim, u kromosomu 19 gustoća je 20 gena, au Y kromosomu - samo 1,5 gena na milijun Usporedimo li gustoću gena s gustoćom naseljenosti ljudi, kromosom Y podsjeća na naš Sibir, a kromosom 19 na europski dio Rusije. Gustoća gena opada s evolucijskom složenošću organizama. Za usporedbu, bakterijski genom sadrži preko 1000 gena na 1,0 milijun i. n., u kvascu oko 450 gena za 1,0 milijuna bp, au crvu C. elegans - oko 200 .
Kao što ljudi imaju obitelji, u njih su ujedinjeni geni obitelji po njihovoj sličnosti. U ljudskom genomu postoji oko 1,5 tisuća takvih obitelji. I samo oko stotine od njih specifično za ljude i kralješnjake. Većina obitelji gena nalazi se i kod ljudi i kod glista.
Različiti geni iste obitelji nastali su tijekom evolucije iz jedan prekursorski gen kao posljedica mutacija. “Srodni” geni najčešće obavljaju sličnu funkciju. Na primjer, ljudski genom ima oko 1000 gena receptora mirisa.
Ponekad se nalazi u obiteljima gena pseudogenes. To su geni koji su izgubili sposobnost izražavanja. Ispred njih stoji grčko slovo . Nije sasvim jasno zašto su genomu potrebni takvi geni, zašto ih je sačuvao u evoluciji, a nije ih se riješio. Ljudski genom sadrži oko 20 000 takvih pseudogena. Konkretno, u ogromnoj obitelji olfaktornih gena, oko 60% su pseudogeni. Vjeruje se da je u posljednjih 10 milijuna godina došlo do masovnog gubitka funkcionalnih gena zbog smanjenja uloge mirisa kod ljudi u usporedbi s drugim sisavcima.
Oko 20% ljudskih gena funkcionira u svim vrstama ljudskih stanica. Preostali geni rade samo u određenim tkivima i organima. Na primjer, globin geni se izražavaju samo u krvnim stanicama, jer je njihova glavna funkcija prijenos kisika.
Primjer najviše specijalizacije gena je mirisni geni. U svakoj stanici ljudskog njušnog organa – njušne lukovice – radi samo 1 gen od 1000 mogućih. Znanstvenike je jako zbunila činjenica da se neki od tih gena, osim u njušnoj bulbusu, aktiviraju i u drugoj vrsti stanica - spermatozoidi. Kako se to odnosi na percepciju mirisa još nije sasvim jasno.
Mapiranje kromosoma također je omogućilo identificiranje lokalizacije regija odgovornih za neke ljudske bolesti.
Na primjer, u prvom kromosomski geni povezani s duktalnim rakom dojke. U drugi - s pretilošću. U treći- sa shizofrenijom. U Četvrta Na kromosomu je otkriven gen čije mutacije dovode do razvoja alkoholizma. Mutacije u terminalnoj regiji x-kromosomi uzrokuju sklonost za homoseksualnost.
Pozornost stručnjaka također su privukli povezani geni s nekim značajkama ljudskog ponašanja. Ovi geni kodiraju proteine uključene u prijenos signala između živčanih stanica (na primjer, protein serotonin). Znanstvenici su gen koji kodira serotoninski receptor nazvali "gen samoubojstva". Mutacije u ovom genu uzrokuju da ljudi imaju sklonost prema negativnim emocijama i suicidalnim tendencijama.
Drugi prijenosnik signala u živčanom sustavu je dopamin- tvar koja ima ključnu ulogu u funkcioniranju centara za zadovoljstvo u mozgu. Višak dopamina uzrokuje eksplorativnu hiperaktivnost kod životinja. Otkriveno je da jedan od gena koji kodira proteine receptora dopamina može postojati u različitim alelnim oblicima (dugim i kratkim). Ljudi s dugim alelom skloniji su traženju novih iskustava, zbog čega je otkriveni gen nazvan "genom koji traži novost." Kod Amerikanaca je dugi alel gena za receptor dopamina 25 puta češći nego kod, recimo, južnih i istočnih Azijata. Iz povijesti znamo kako su Ameriku naselili Europljani. Prije svega, bili su to energični ljudi, skloni avanturizmu, znatiželjni i impulzivni. Tako su u modernu američku populaciju uveli dugi alel "gena traženja novosti".
Nedavno su otkrivena dva gena koja su odgovorna za majčinske instinkte (ti su geni nazvani geni "majčinskog instinkta".). Istodobno, na opće iznenađenje, pokazalo se da kćeri primaju oba gena od svojih očeva. Životinje koje nisu imale gene "majčinskog instinkta" nisu marile za novorođenčad.
Mora se naglasiti da, za razliku od gena odgovornih za tjelesne parametre, prisutnost "bolesnih" gena koji oblikuju psihu i ponašanje ne znači da je osoba potpuno osuđena na određene negativne manifestacije. Prvo, u pravilu, ne jedan, već niz gena odgovoran je za mentalne karakteristike. Između njih postoji vrlo složena i ponekad vrlo dvosmislena interakcija, čiji učinak ovisi o mnogo različitih čimbenika. Drugo, prema većini znanstvenika, ljudska psiha i ponašanje su samo jedan posto 50 određuju geni.
Jedna od metoda za proučavanje utjecaja okoline na manifestaciju genotipa je promatranje jednojajčanih blizanaca. Ovaj pristup u genetici se zove "blizanačka metoda"».
Jednojajčani blizanci nastaju diobom iste zigote i sadrže identične genome. Iako je pojava blizanaca prilično rijetka pojava (vjeruje se da osoba ima jednog blizanca svakih 80-85 poroda), ipak, dostupni slučajevi su dovoljni za provođenje odgovarajućih istraživanja.
Jedan od najjasnijih načina identificiranja osobe je otisci prstiju. Karakteristični "obrasci" formiraju se u embriju već u trećem mjesecu razvoja i ostaju nepromijenjeni cijeli život. Uspoređujući "šare" kože blizanaca, pokazalo se da su vrlo slični, ali, začudo, ne uvijek potpuno identični.
Proučavajući niz drugih karakteristika, uočene su i male varijacije kod blizanaca: boja očiju i kose, oblik ušiju.
Velika usporedba jednojajčanih blizanaca jedna s drugom pokazala je da pojava takvih zarazne bolesti, poput ospica, hripavca, vodenih kozica, gotovo potpuno ovisi o uzročniku bolesti, ali dječja paraliza i tuberkuloza također su određene nasljednim svojstvima osobe. Konkretno, učestalost tuberkuloze kod oba jednojajčana blizanca je više od 3 puta veća nego kod dva dvojajčana blizanca.
Istraživanje blizanaca provedeno na Institutu Karolinska u Stockholmu uvjerljivo je pokazalo značajan utjecaj okolišnih čimbenika (pušenje, zagađenje, prehrana, način života) na razvoj nekih oblika malignih bolesti. Istodobno je zabilježen utjecaj genetskih čimbenika na pojavu raka rak prostate, debelog crijeva i dojke.
Prilikom analize blizanaca ustanovljeno je da mentalni razvoj može se objasniti i genetski. Ako je jedan od para jednojajčanih blizanaca slabouman, drugi se gotovo uvijek pokaže takvim.
Ruski znanstvenici proveli su istraživanje na djeci blizancima u dobi od 7 do 12 mjeseci kako bi utvrdili u kojoj mjeri utječu genetika i okoliš agresivnost, razdražljivost, aktivnost i društvenost. Ispostavilo se da su prve tri osobine temperamenta pod strogom genetskom kontrolom: agresivnost ponašanja djeteta: 94 posto je određeno njegovim genotipom, aktivnost - 89 posto, razdražljivost - 85 posto. A društvenost se gotovo 90% formira pod utjecajem okruženja koje su stvorili roditelji.
Zahvaljujući metodi analize blizanaca, naširoko se raspravlja problem homoseksualnosti. Već postoje pouzdani dokazi da su oko 57% jednojajčanih blizanaca i braće homoseksualnih muškaraca također homoseksualci. Za lezbijke ta je brojka otprilike 50%.
Svijest o homoseksualnosti kao nasljednoj bolesti može pomoći u odlučivanju kako problem homofobije(loše je mrziti bolesne ljude), i problem agresivne homoseksualnosti(ovi ljudi traže da ih se prizna kao zdrave i punopravne, ponekad su čak i ponosni na svoju posebnost). No, ako homoseksualnost promatramo kao bolest, kao patologiju, situacija se radikalno mijenja. Teško je zamisliti osobu koja ponosno stoji s natpisom: "Patim od shizofrenije, stoga zahtijevam poštovanje prema sebi kao punopravnom članu društva!"
Prema suvremenim procjenama, životni vijekčovjeka, također je povezana s genetskim čimbenicima, čija se uloga procjenjuje na 65-70%.
Brojni i raznoliki podaci upućuju na to da genom uvelike određuje nas, ali i okolina bitno zadire u našu bit. Znanstvenici ponekad uspoređuju odnos između gena i okoliša s napunjenim pištoljem i okidačem. Pištolj neće opaliti dok se ne povuče okidač. Ista je situacija u stanici, gdje gen služi kao napunjeni pištolj, a razne vrste okolišnih čimbenika imaju funkciju okidača. Postoji još jedna usporedba – s kartaškom igrom: dobar igrač može pobijediti s lošim kartama.
Kako bi se razumjeli brojni odnosi koji postoje između manifestacije pojedinih varijanti gena i utjecaja različitih okolišnih čimbenika u tom procesu, kreiran je poseban međunarodni projekt - Projekt genoma okoliša. Među brojnim ciljevima ovog projekta glavni je, naravno, proučavanje utjecaja okoliša na životni vijek, kao i na pojavu i razvoj raznih bolesti kod ljudi. U konačnici, ovaj bi se projekt mogao pokazati ništa manje važnim i složenim od poznatog i vrlo skupog projekta sekvenciranja ljudskog genoma. I nema sumnje da će trajati puno dulje od projekta genoma.
