METODER FÖR ATT STUDERA DNA
1. För att isolera DNA från vävnadshomogenat avlägsnas fragment av cellulära organeller och membran genom centrifugering. Proteiner förstörs
proteaser (proteinas K används oftast) och extraheras från lösning. DNA fälls sedan ut, till exempel med etanol och efter avlägsnande av supernatanten
flytande DNA löses i en buffertlösning.
2. En medelstor DNA-molekyl innehåller 150 000 000 nukleotidpar och är 4 cm lång.
Därför är DNA-molekyler känsliga för skjuvkrafter som uppstår i lösning, och i processen för DNA-isolering från vävnader fragmenteras de. De resulterande DNA-molekylerna är mycket mindre än de ursprungliga, men fortfarande mycket stora - tusentals eller tiotusentals nukleotidpar. Sådana molekyler är obekväma för forskning och måste fragmenteras ytterligare.
För fragmentering används restriktionsenzymer - enzymer isolerade från bakterier. I bakterier är dessa enzymer involverade i förstörelsen av DNA främmande för dem. Restriktionsenzymer "känner igen" specifika sekvenser av 4-6 nukleotider (restriktionsställen) som finns i mänskligt DNA. Många olika restriktionsenzymer är kända, och var och en av dem "känner igen" sitt eget restriktionsställe (Fig. 3.3).
Med hjälp av en uppsättning restriktionsenzymer kan du skära DNA-molekylen i fragment av önskad längd. Till exempel är fragment av cirka 300 nukleotidpar i storlek lämpliga för att studera den primära strukturen. Därför en hel DNA-molekyl på 150 000 000 bp. du måste skära den i 500 000 fragment och studera varje fragment separat.
Polymeraskedjereaktion (PCR). Vissa studier kräver stora mängder välrenat högmolekylärt DNA. PCR-metoden gör det möjligt att selektivt syntetisera små sektioner av DNA in vitro och erhålla flera miljoner kopior av fragmentet som studeras på 3-4 timmar. Objekt för DNA-extraktion kan vara blod, vävnadsbiopsi, saliv, urin, fostervatten etc. Denna metod och dess tillämpning inom DNA-diagnostik kommer att diskuteras i detalj i avsnitt 3.10.
Hybridisering. För att studera artspecificiteten för nukleinsyror används hybridiseringsmetoden. Den är baserad på DNA:s förmåga att denaturera när den värms upp (80-90 ° C) och återskapas vid efterföljande kylning. Det är möjligt att använda metoden för DNA-DNA och DNA-RNA hybridisering. Med hjälp av hybridiseringsmetoden är det möjligt att fastställa likheter och skillnader i den primära strukturen för olika nukleinsyraprover.
Genomsekvensering.
Sekvensering av genomet hos en frisk person i de flesta fall kan inte förutsäga utvecklingen av vissa sjukdomar i framtiden. Resultaten av detta arbete presenterades på årsmötet i Föreningen för cancerforskning och publicerades även i tidskriften Vetenskap translationell medicin.
Helgenomsekvensering innebär att "katalogisera" alla gener som en person får från båda föräldrarna och kontrollera dem för DNA-skador som kan göra en person mer mottaglig för cancer och andra sjukdomar. Eftersom kostnaden för genomsekvensering ständigt minskar (för närvarande är priset för proceduren 1-3 tusen US-dollar), har många friska människor börjat tänka på att genomgå sådana tester och bestämma deras risk att utveckla en viss sjukdom. Men forskare vid Johns Hopkins Kimmel Cancer Research Center uppmanar dem att ta sig tid.
Forskarnas fynd betyder inte att genomsekvensering inte har något medicinskt värde. "För det första är genomsekvensering fortfarande det bästa verktyget för att förutsäga "familjesjukdomar" som cancer och några andra, säger onkologiprofessor Bert Vogelstein. - För det andra hjälper en detaljerad studie av en individs genom att bättre förstå mekanismen för sjukdomen som redan förekommer hos honom och mer exakt välja individuell terapi för honom. Men i fallet med en frisk person slutar genomet att vara en pålitlig prediktor."
Forskare spårade utvecklingen av 24 sjukdomar i mer än 50 tusen tvillingar från 5 länder som genomgick genomsekvensering. Resultaten visade att vid 23 sjukdomar gav genomanalysen ett negativt resultat och klassade risken för deras utveckling som ”låg”. Men enligt professor Vogelstein betyder detta inte att denna sjukdom är det denna person kommer inte att utvecklas. "Detta betyder helt enkelt att hans personliga risk är något lägre än den genomsnittliga risken i befolkningen, vilket kan vara mycket betydande", säger forskaren. "Således garanterar inte ens ett negativt resultat frånvaron av sjukdomen i framtiden." Samtidigt bestämdes risken för 4 av 24 sjukdomar - hjärtsjukdom hos män, autoimmun tyreoidit, typ I-diabetes och Alzheimers sjukdom - konsekvent i ¾ av fallen, vilket gör att vi kan kalla genomsekvensering för ett ganska tillförlitligt sätt att bestämma anlag för dessa sjukdomar.
Modern genomik.
Under lång tid kallades genomet en haploid uppsättning kromosomer. Ackumuleringen av information om den informativa rollen av extrakromosomalt DNA har förändrat definitionen av termen "genom". För närvarande innebär det den fullständiga sammansättningen av cellens DNA, d.v.s. helheten av alla gener och intergena regioner. Vi kan betrakta genomet som en komplett uppsättning instruktioner för en individs bildande och funktion.
Allmänna principer konstruktionen av genom och deras strukturella och funktionella organisation studeras genom genomik, som utför sekvensering, kartläggning och identifiering av funktionerna hos gener och extragena element. Genomics metoder syftar till att dechiffrera nya mönster biologiska system och processer. Humangenomik är grunden för molekylär medicin och är väsentlig för utvecklingen av metoder för diagnos, behandling och förebyggande av ärftliga och icke-ärftliga sjukdomar. För medicinen är forskning inom området genomik av patogena mikroorganismer av största vikt, eftersom den belyser arten av den infektiösa processen och skapandet av läkemedel riktade mot specifika bakteriella mål.
Genomik är, trots sin "unga ålder", uppdelad i flera nästan oberoende områden: strukturell, funktionell, jämförande, evolutionär och medicinsk genomik.
Strukturgenomik studerar nukleotidsekvensen i genom, bestämmer gränserna och strukturen för gener, intergena regioner och andra strukturella genetiska element (promotorer, förstärkare, etc.), d.v.s. upprättar genetiska, fysiska och transkriptionskartor över kroppen.
Funktionell genomik. Forskning inom området funktionell genomik syftar till att identifiera funktionerna hos varje gen och genomregion och deras interaktion i cellsystemet. Uppenbarligen kommer detta att göras genom att studera proteinsammansättningar i olika celler. Detta forskningsfält kallas proteomik.
Jämförande genomik studerar likheter och skillnader i organisationen av arvsmassan hos olika organismer för att klargöra de allmänna mönstren för deras struktur och funktion.
Evolutionär genomik förklarar genomens evolutionära vägar, ursprunget till genetisk polymorfism och biologisk mångfald och rollen av horisontell genöverföring. Evolutionärt förhållningssätt till studiet av det mänskliga genomet gör det möjligt för oss att spåra varaktigheten av bildandet av genkomplex, individuella kromosomer, stabiliteten hos dess delar, nyligen upptäckta element av "inkonstans" i genomet, processen för rasbildning och utvecklingen av ärftlig patologi.
Medicinsk genomik löser tillämpade frågor inom klinisk och förebyggande medicin baserat på kunskap om mänskliga genom och patogena organismer (till exempel diagnos av ärftliga sjukdomar, genterapi, orsaker till patogeners virulens, etc.).
Alla steg i evolutionen av levande natur måste utan tvekan fixas i DNA-informationssystemet (och för vissa varelser - i RNA), såväl som i dess organisation i cellen för att utföra den konservativa funktionen att bevara ärftlighet och motsatsen funktion - upprätthålla variabilitet. Denna idé om bildandet av genomet för varje art är den mest rimliga. I förhållande till det mänskliga genomet kan vi säga att mänsklig evolution är genomets evolution. Denna idé bekräftas nu av ett flertal molekylärgenetiska studier, eftersom det har blivit möjligt att jämföra arvsmassan hos olika arter av däggdjur, inklusive människoapor, såväl som inom arten Homo sapiens, arvsmassan från olika raser, etniska grupper, mänskliga populationer och individer.
Organisationen av genomet för varje eukaryotisk art är en sekventiell hierarki av element: nukleotider, kodoner, domäner, gener med intergena regioner, komplexa gener, kromosomarmar, kromosomer, haploida sammansättningar med extrakromosomalt och extranukleärt DNA. I den evolutionära transformationen av genomet kan var och en av dessa hierarkiska nivåer bete sig helt diskret (förändras, kombineras med andra, etc.).
Våra idéer om det mänskliga genomet är ett stort område av mänsklig genetik, inklusive åtminstone begreppen "inventering" av gener, länkgrupper, genkartläggning (lokalisering), sekvensering av allt DNA (gener, deras mutationer och kromosomer som en helhet), meiotiska transformationer, individuella geners funktion och deras interaktioner, integration av genomets struktur och funktion som helhet. Det omfattande fleråriga internationella programmet "Human Genome" (från 1990 till 2000) fokuserade på att lösa alla dessa frågor. Den huvudsakliga inriktningen av arbetet var sekventiell sekvensering av genomsektioner och deras "sammanfogning". Framgångsrik utveckling inom detta område har lagt till en klinisk-genetisk aspekt till programmet.
Kliniska tillämpningar av information om mänskligt genom
Den systematiska studien av det mänskliga genomet började faktiskt med användningen av Mendelsk analys av mänskliga ärftliga egenskaper (tidigt 1900-tal). Den genealogiska metoden kom sedan in i utbredd praxis, och steg för steg material började samlas på "inventeringen" av diskreta ärftliga egenskaper hos en person, men denna process saktade gradvis ned (på 50 år inte mer än 400 mendelska egenskaper och 4 länkgrupper upptäcktes), har möjligheten till klinisk och genealogisk metod i dess rena form uttömts.
Den snabba utvecklingen av human cytogenetik, biokemisk genetik och särskilt somatiska cellers genetik på 60-talet, i kombination med det genealogiska förhållningssättet, placerade studiet av det mänskliga genomet på en ny teoretisk grund och en hög metodisk nivå. Upptäckten av nya mänskliga mendelska egenskaper började gå snabbt framåt, särskilt på biokemisk och immunologisk nivå, och möjligheter uppstod att studera kopplingen och lokaliseringen av gener.
Molekylärgenetiska metoder, eller teknologi, gav en speciell impuls till studiet av det mänskliga genomet genteknik(70-tal). Processen att förstå genomet har fördjupats till isoleringen av genen i dess rena form och dess sekvensering.
Till skillnad från klassisk genetik har synen på genanalys förändrats i ny genetik. Inom klassisk genetik var sekvensen följande: identifiering av den mendelska egenskapen -> lokalisering av genen i kromosomen (eller länkgruppen) -> primär genprodukt -> genen. Inom modern genetik har det omvända tillvägagångssättet också blivit möjligt: genisolering -> sekvensering -> primärprodukt, och därför introducerades en ny term för att definiera denna forskningslinje: "omvänd genetik" eller "omvänd genetik".
Förbättringen av molekylärgenetiska metoder och, inte mindre viktigt, deras automatisering fortsätter. I USA och Storbritannien har automatiska genomsekvenseringsanordningar utvecklats och implementerats. De kallades för genomotroner. De utför upp till 100 000 polymerasreaktioner per timme. Detta innebär att en region (eller regioner) på flera miljoner baspar kan sekvenseras inom en vecka.
Datorteknik och teknologi spelar en stor roll för att dechiffrera det mänskliga genomet. informationssystem. Tack vare dem, frågor om att samla information (databaser) från olika källor, lagra den och snabbt använda den av forskare från olika länder.
För närvarande är studiet av genom inte begränsat till genkartläggning, det har blivit möjligt att studera sekvensen av nukleotider i vilken gen som helst. Det avgörande steget för att lösa detta problem var användningen av speciella restriktionsendonukleasenzymer och utvecklingen av en metod för kloning av gener.
Restriktionsendonukleaser (restriktionsenzymer) är enzymer som klyver DNA på specifika ställen i de nukleotidsekvenser som de känner igen. Dessa enzymer finns i många bakterier. De identifierar och förstör främmande DNA-molekyler som kommer in i cellen, inklusive när de infekteras av fager eller under transformation. Mer än 100 sådana enzymer har upptäckts, och vart och ett av dem känner igen en specifik sekvens av 4-6 nukleotider i DNA. Varje restriktionsenzym kan skära dubbel helix DNA av vilken längd som helst. Detta producerar en serie fragment som kallas restriktionsfragment. Jämförelse av storlekarna på dessa fragment erhållna genom bearbetning av bakterie- eller plasmidgenom (liksom DNA från eukaryota kromosomer) gör det möjligt att skapa restriktionskartor, som markerar lokaliseringen av varje sektionssektion i förhållande till närliggande sektioner av andra sådana sektioner (restriktioner) .
Det är signifikant att många restriktionsenzymer introducerar brott i båda DNA-strängarna med en förskjutning av flera nukleotider. Som ett resultat bildas en region i änden av strängen av ett fragment, vars nukleotidsekvenser är komplementära till nukleotidsekvenserna för den andra strängen i den andra änden av fragmentet. Sådana terminala sekvenser, som är komplementära till varandra, kallas klibbiga ändar. Med deras hjälp kommer de resulterande restriktionsfragmenten igen att bilda ringar som ett resultat av parning av klibbiga ändar. Förmågan hos restriktionsnukleaser att skära DNA för att bilda klibbiga ändar används i stor utsträckning inom tekniken för att skapa rekombinant DNA, eftersom det med hjälp av sådana ändar är möjligt att sammanfoga två DNA-fragment om de erhålls med samma restriktionsenzym och, har därför kompletterande klibbiga ändar. Efter att de senare har stängts genom att bilda komplementära baspar, kan den resulterande ringen av fragment av olika DNA sys ihop med kovalenta fosfodiesterbindningar mellan de motsatta ändarna av varje DNA-sträng med hjälp av DNA-ligas. Detta är kärnan i teknologin för att producera rekombinanta DNA-molekyler.
Genomet av bakterieviruset FX174 studerades först. Dess DNA består av 5400 nukleotider och innehåller 9 gener. FX174-viruset kan endast ses med hjälp av ett elektronmikroskop, och registrering av dess genetiska information, som finns i 9 gener, i form av en linjär sekvens genom bokstäverna (A, T, G, C) tar upp en hel sida med text. Att i samma form registrera informationen som finns i kromosomen i en djurcell skulle göra en bok på mer än 500 000 sidor!
Studiet av det mänskliga genomet började på 80-talet. XX-talet Därefter skapades International Organization for the Study of the Human Genome HUGO (från den engelska Human Genome Organization). Forskare från USA, Japan, ett antal europeiska länder, Ryssland, etc. studerar det mänskliga genomet.
Huvuduppgiften är att bestämma den sekventiella placeringen av alla nukleotider (och det finns 3,5 109 par) i alla 23 par av mänskliga kromosomer. Det är nödvändigt att ta reda på den molekylära grunden för ärftliga sjukdomar och bestämma sätt att behandla dem, förr eller senare kommer genterapi att bli ganska verklig. DNA-diagnostik av mer än 100 ärftliga sjukdomar genomförs redan. När strukturen av DNA, genen och dechiffreringen av den genetiska koden har upptäckts kommer implementeringen av Human Genome Program att innebära den mest grundläggande revolutionen inom biologi och medicin.
5710 0
Det finns en synpunkt, som delas av ett stort antal specialister, att alla mänskliga sjukdomar med undantag för skador är förknippade med genetiska defekter. Uppenbarligen detta extrem punkt vision, men det återspeglar betydelsen av genetiska faktorer för att bestämma människors hälsotillstånd. Genetiska defekter finns i olika svårighetsgrad och tillstånd.
Även om diabetes och muskeldystrofi vanligtvis betraktas som sjukdomar, och gomspalt eller färgblindhet som ärftliga defekter, är de alla resultatet av mutationer i genetiskt material. Det har också visat sig att anlag för sjukdomen också beror på den genetiska konstitutionen.
Genetiska defekter eller mutationer i DNA-sekvensen uttrycks i utbyte av en nukleotid med en annan, förlust av ett helt fragment eller överföring till en annan position i genomet etc. Sådana förändringar kan leda till förändringar i strukturen (och funktionen) av proteinet som kodas av detta DNA-fragment eller till förändringar i regulatoriska genregioner som är dödliga för celler. Pratar om ärftliga sjukdomar, menar vi mutationer som uppträder i könsceller och överförs till avkomma.
Mutationer ackumuleras också i somatiska celler under hela livet, vilket kan orsaka sjukdom, men de ärvs inte. Tidigare trodde man att alla mutationer var skadliga. Detta beror på det faktum att det var med sådana mutationer som orsakar sjukdomar som studien av mänskliga genetiska egenskaper började. Men nu, när nästan hela den mänskliga nukleotidtexten har lästs, har det blivit klart att de flesta av mutationerna är neutrala. Skadliga mutationer som leder till grov störning av utvecklingen av organismen elimineras genom selektion - deras bärare överlever inte eller producerar inte avkomma.
Enorma genombrott för att förstå hur nedärvda gener påverkar fysiska och psykologiska egenskaper mänsklig evolution har skett under de senaste decennierna tack vare upptäckter som gjorts i studien av det mänskliga genomet. Ett antal genetiska sjukdomar, liksom anlag för dem, har identifierats och diagnostiserats, och som mest tidiga stadier embryoutveckling. Stora förhoppningar om att utöka kapaciteten hos modern medicin är förknippade med genomförandet av Human Genome Project.
Genomförande av det vetenskapliga projektet "Human Genome"
Human Genome Scientific Project är ett internationellt program vars slutliga mål var att bestämma nukleotidsekvensen (sekvensering) av hela det mänskliga genomiska DNA:t, samt identifiering av gener och deras lokalisering i genomet (kartläggning). 1988 presenterade det amerikanska energidepartementet och det amerikanska hälsoinstitutet i USA ett omfattande projekt som inkluderade sekvensering av genomet hos människor, såväl som bakterier, jäst, nematoder, fruktflugor och möss – organismer som har använts flitigt som modellsystem i studiet av mänsklig genetik.Kongressen tilldelade 3 miljarder dollar för genomförandet av detta projekt. (en dollar för varje nukleotid i det mänskliga genomet). Nobelpristagaren James Watson utsågs till projektledare. Andra länder har anslutit sig till projektet - England, Frankrike, Japan osv.
År 1989, på initiativ av akademiker A.A. Baev, ett vetenskapligt råd organiserades i vårt land för programmet "Human Genome". 1990 skapades International Human Genome Organization (HUGO), vars vicepresident under flera år var akademiker A.D. Mirza-beyov. Oavsett bidrag och nationell tillhörighet för enskilda programdeltagare var all information som de fick under arbetets gång från första början öppen och tillgänglig för alla dess deltagare.
Tjugotre mänskliga kromosomer delades upp mellan de deltagande länderna. Ryska forskare var tvungna att studera strukturerna för de 3:e och 19:e kromosomerna. Men snart minskade finansieringen av detta projekt avsevärt, och vårt land tog inte någon egentlig del i sekvenseringen. Ändå slutade inte arbetet med genomprojektet i vårt land: programmet reviderades och fokuserade på utvecklingen av bioinformatik -matematiska metoder, datorteknik, programvara, förbättra metoder för att beskriva och lagra genomisk information som skulle hjälpa till att förstå och förstå den dekrypterade informationen.
Det tog 15 år att dechiffrera det mänskliga genomet. Men den ständiga utvecklingen av sekvenseringsteknik gjorde att projektet kunde slutföras 2 år tidigare. Det privata amerikanska företaget Celera, som leds av J. Venter (tidigare biolog vid US National Institutes of Health), spelade en betydande roll i intensifieringen av arbetet. Medan under de första åren av projektet sekvenserades flera miljoner nukleotidpar per år runt om i världen, i slutet av 1999 dechiffrerade Celera minst 10 miljoner nukleotidpar per dag. För att uppnå detta utfördes arbete dygnet runt i automatiskt läge av 250 robotinstallationer överfördes informationen omedelbart till databanker, där den systematiserades, kommenterades och lades ut på Internet.
1995 utvecklade och publicerade Venter och hans medförfattare ett helt nytt tillvägagångssätt för genomsekvensering som kallas slumpmässig helgenomsekvensering (bättre känd som slumpmässig fraktionerad sekvensering), som möjliggjorde sammansättningen av ett komplett genom från delvis sekvenserade DNA-fragment med hjälp av en datormodell .
Denna metod var den första som fullständigt sekvenserade genomet av en självreplikerande frilevande organism - bakterien Haemophilus in-fluenzae Rd. Kopior av bakteriellt DNA skars i bitar av godtycklig längd från 200 till 1 600 bp. Dessa fragment sekvenserades flera hundra från varje ände. Dessutom sekvenserades längre fragment på 15-20 kb. De resulterande sekvenserna matades in i en dator, som jämförde dem, fördelade dem i grupper och efter likhet.
Icke-repetitiva sekvenser identifierades först, följt av upprepade fragmentsekvenser. Långa fragment hjälpte till att fastställa ordningen för ofta upprepade, nästan identiska sekvenser. Mellanrummen mellan de resulterande huvudbitarna av DNA fylldes sedan. Sekvensering av genomet av Haemophilus influenzae tog ett år och sekvensen på 1 830 137 bp bestämdes. och 1 749 gener lokaliserade på 24 304 fragment.
Det var en otvivelaktig framgång, vilket bevisade det ny teknik kan vara tillämpbar för snabb och exakt sekvensering av hela genom. 1996 kartlades genomet för den första eukaryota cellen, jäst, och 1998 sekvenserades arvsmassan för en flercellig organism, den runda daggmasken Caenorhabolits elegans, för första gången.
I februari 2001 publicerades samtidigt en fungerande version av det mänskliga genomet (90 % färdigställt) i tidskrifterna "Nature" - resultaten av HUGO och "Science" - resultaten av Celera-forskningen. Analys av den resulterande varianten av det mänskliga genomet avslöjade cirka 25 tusen gener. Tidigare antogs det att detta antal skulle nå 140 tusen (baserat på postulatet "en gen kodar för ett protein"). För närvarande verkar det möjligt att en gen kan koda för 5-6 proteiner. Mångfalden av proteiner som kodas av samma gen säkerställs av flera mekanismer: genom alternativ splitsning, posttranslationella transformationer av proteiner - fosforylering, acetylering, metylering, glykosylering och många andra.
År 2003 publicerades den slutliga fullständiga sekvensen av det mänskliga genomet. All denna information är tillgänglig och tillgänglig på Internet på flera webbplatser. Vissa delar av genomet kan dock fortfarande inte sekvenseras modern teknik, och vår kunskap om genomet är fortfarande ofullständig. Det visade sig att endast 30 % av arvsmassan kodar för proteiner och är involverad i regleringen av genverkan.
Vad som är funktionerna för de återstående regionerna i genomet och om de överhuvudtaget existerar är fortfarande helt oklart. Cirka 10 % av arvsmassan består av så kallade Alu-element, cirka 300 bp långa. De dök upp från ingenstans under evolutionens gång endast bland primater. När de väl nådde människor förökades de till en halv miljon exemplar och fördelades längs kromosomerna på det mest bisarra sätt.
När det gäller de kodande regionerna av DNA, kallades de i en rent molekylär datoranalys gener enligt rent formella kriterier: närvaron av skiljetecken som är nödvändiga för att läsa informationen och syntetisera en specifik genprodukt. Tidpunkten och verkan av de flesta potentiella gener är dock fortfarande oklart, och det kan ta minst hundra år att fastställa deras funktioner.
N.A. Voinov, T.G. Volova
Den 25 april, nu avlägset 1953, publicerade tidskriften Nature ett litet brev från den unga och okända F. Crick och J. Watson till tidskriftens redaktör, som började med orden: "Vi skulle vilja framföra våra tankar om DNA-saltets struktur. Denna struktur har nya egenskaper som är av stort biologiskt intresse." Artikeln innehöll cirka 900 ord, men - och det är ingen överdrift - var och en av dem var guld värda.
Den "rumpiga ungdomen" vågade säga ifrån mot Nobelpristagaren Linus Pauling, författaren till den berömda alfahelixen av proteiner. Bara dagen innan publicerade Pauling en artikel enligt vilken DNA var en tresträngad spiralstruktur, som en flickas fläta. Ingen visste då att Pauling helt enkelt hade otillräckligt renat material. Men Pauling visade sig ha delvis rätt - nu är den tresträngade naturen hos vissa delar av våra gener välkänd. Vid ett tillfälle försökte de till och med använda denna egenskap hos DNA i kampen mot cancer, genom att stänga av vissa cancergener (onkogener) med hjälp av oligonukleotider.
Nukleinsyrabiologi har haft otur under lång tid. Det räcker med att säga att det första Nobelpriset för upptäckten av nukleotidernas struktur mottogs av tysken A. Kossel redan 1910. Och den berömda Feulgen-reaktionen för färgning av DNA föreslogs på tröskeln till första världskriget och förbättrades i 1920-talet. Sedan kunde det börja ny era biologi däremot...
Biologer var dock övertygade om att "monotont" DNA, med sina bara fyra olika baser, helt enkelt inte kunde bära den genetiska informationen för miljontals olika proteiner. Och även om morsekod med tre kodningselement redan hade använts, hade forskarnas mentalitet ännu inte nått nivån för informationseran med dess binära registreringssystem ("0" och "1") för någon information.
Först i början av 1950-talet. Vissa forskare började uppmärksamma DNA, vars roll i överföringen av ärftliga egenskaper i mikroorganismer fastställdes 1943 av Oswald Avery. Averys resultat troddes av Salvador Luria, som tillsammans med Max Delbrück organiserade ett laboratorium nära New York vid en biologisk station i staden Cold Spring Harbor.
Låt oss notera inom parentes att fysikern M. Delbrück var en elev av N.V. Timofeev-Resovsky i biologi och medförfattare till deras berömda artikel med K. Zimmer om att bestämma storleken på en gen. Luria och Delbrück studerade livscykeln för bakteriofager - virus av mikroorganismer, som ett resultat av vilket de kom till antaganden om DNA:s biologiska roll. Luria skickade sin doktorand James Watson till Cavendish Laboratory i Cambridge, där Maurice Wilkins och Rosalind Franklin studerade strukturen av DNA med hjälp av röntgenstrålar (brittarna var ledande inom röntgendiffraktionsanalys av biomolekyler).
En ganska ung fysiker, Francis Crick, arbetade också i Wilkins laboratorium, känd i snäva laboratoriekretsar för sin vetenskapliga skepsis: för honom fanns det helt enkelt inga auktoriteter, vilket är hur han skaffade sig ett rykte som en bråkare. Paulings artikel kom till laboratoriet av hans son, som förresten hjälpte Watson och Crick att förstå rollen av parvis komplementära föreningar av kvävehaltiga baser. Artikeln var droppen innan den insikt, eller förståelse... som tog form i upptäckten av unga vetenskapsmän.
Det vetenskapliga samfundet erkände dock inte omedelbart deras upptäckt. Det räcker med att säga att Nobelpriset för arbete inom DNA-området först delades ut av ”domarna” från Stockholm 1959 till de kända amerikanska biokemisterna Severo Ochoa och Arthur Kornberg. Ochoa var den första (1955) att syntetisera ribonukleinsyra (RNA). Kornberg fick priset för DNA-syntes in vitro (1956).
1962 var det Crick, Watson och Wilkins tur. R. Franklin hade redan dött i cancer vid 37 års ålder, annars hade detta varit den enda gången i Nobelprisets historia då priset skulle ha delats ut till fyra, även om detta inte är tillåtet enligt stadgan. Franklins bidrag till utvecklingen av röntgendiffraktionsanalys av DNA var helt enkelt ovärderligt.
Efter upptäckten av Watson och Crick var det viktigaste problemet att identifiera överensstämmelsen mellan de primära strukturerna av DNA och proteiner. Eftersom proteiner innehåller 20 aminosyror, och det bara finns 4 nukleinbaser, behövs minst tre baser för att registrera information om sekvensen av aminosyror i polynukleotider. Baserat på sådana allmänna resonemang föreslogs varianter av genetiska koder med "tre bokstäver" av fysikern G. Gamov och biologen A. Neyfakh. Deras hypoteser var dock rent spekulativa och orsakade inte mycket respons bland forskare.
Tre bokstäver genetisk kod 1964 dechiffrerades den av F. Crick. Det är osannolikt att han då föreställde sig att det inom en överskådlig framtid skulle bli möjligt att dechiffrera det mänskliga genomet. Denna uppgift på länge verkade olösliga. Två upptäckter gjorde det dock möjligt att flytta problemet framåt.
År 1970, okända för det allmänna forskarsamhället, publicerade G. Temin och D. Baltimore artiklar i Nature om omvänt transkriptas (RT), ett enzym av RNA-innehållande virus, inklusive cancer, som syntetiserar DNA på en RNA-mall, dvs. utföra en reaktion motsatt den som tidigare observerats i celler.
Upptäckten av omvänt transkriptas gjorde det möjligt att isolera de första generna. Men denna process var extremt arbetskrävande och extremt dyr. Och 15 år senare föreslog en viss kemist från Kalifornien ett unikt polymeras till sina kollegors bedömning. kedjereaktion(PCR), som omedelbart blev känd. I denna reaktion "går enzymet polymeras som en skyttel" längs ett DNA-fragment, så PCR tillåter dig att producera alla kvantiteter av detta fragment som behövs för analys*.
PCR, liksom tillkomsten av den senaste elektroniska tekniken och datorer, har gjort uppgiften att dechiffrera hela det mänskliga genomet ganska realistiskt. Den långa debatten avslutades i slutet av september 1988, då J. Watson utsågs till chef för HUGO-projektet – Human Genome Organization.
Tidningen Time kallade Watson för en "genjägare" i detta avseende. Forskaren själv sa följande: "Detta är en spännande framtid. För trettio år sedan kunde vi inte ens drömma om att känna till genomstrukturen hos ens det minsta viruset. Och idag har vi redan dechiffrerat genomet av AIDS-viruset och nästan fullständigt läst genomet av Escherichia coli med en volym på 4,5 miljoner bokstäver av genkoden. Att veta exakt den detaljerade strukturen av det mänskliga genomet är fantastiskt!”
Och nu är arvsmassan avläst
Slutförandet av arbetet med att dechiffrera det mänskliga genomet av ett konsortium av forskare var planerat till 2003, 50-årsdagen av upptäckten av DNA:s struktur. Konkurrensen har dock sagt sitt även på detta område.
Craig Venter grundade ett privat företag som heter Selera, som säljer gensekvenser för stora pengar. Genom att gå med i kapplöpningen för att dechiffrera genomet gjorde hon på ett år vad som tog tio år för ett internationellt konsortium av forskare från olika länder. Detta blev möjligt tack vare en ny metod för att läsa genetiska sekvenser och användningen av automatisering av läsprocessen.
Så genomet har lästs. Det verkar som att vi borde glädjas, men forskarna var förbryllade: väldigt få gener visade sig finnas i människor - ungefär tre gånger mindre än förväntat. De brukade tro att vi hade cirka 100 tusen gener, men i själva verket fanns det cirka 35 tusen av dem. Men det här är inte ens det viktigaste.
Forskarnas förvirring är förståelig: Drosophila har 13 601 gener, runda jordmaskar har 19 tusen, senap har 25 tusen gener. Ett så litet antal gener hos människor tillåter oss inte att skilja honom från djurriket och betrakta honom som skapelsens "krona".
Men där gener finns ökar aktiviteten hos DNA och enzymer som syntetiserar dess kopior i form av budbärar-RNA-molekyler 200–800 gånger! Dessa är "hot spots" i genomet.
I det mänskliga genomet har forskare räknat 223 gener som liknar generna från E. coli. E. coli uppstod för cirka 3 miljarder år sedan. Varför behöver vi så "urgamla" gener? Tydligen har moderna organismer ärvt från sina förfäder vissa grundläggande strukturella egenskaper hos celler och biokemiska reaktioner som kräver lämpliga proteiner.
Det är därför inte förvånande att hälften av däggdjursproteinerna har liknande aminosyrasekvenser som Drosophila flugproteiner. Vi andas trots allt samma luft och konsumerar animaliska och växtproteiner, bestående av samma aminosyror.
Det är fantastiskt att vi delar 90 % av våra gener med möss och 99 % med schimpanser!
Vårt genom innehåller många sekvenser som vi ärvt från retrovirus. Dessa virus, som inkluderar cancer- och AIDS-virus, innehåller RNA istället för DNA som ärftligt material. En egenskap hos retrovirus är, som redan nämnts, närvaron av omvänt transkriptas. Efter DNA-syntes från virusets RNA integreras det virala genomet i cellkromosomernas DNA.
Vi har många sådana retrovirala sekvenser. Då och då "bryter de ut" i naturen, vilket resulterar i cancer (men cancer, i full överensstämmelse med Mendels lag, uppträder endast i recessiva homozygoter, d.v.s. i högst 25% av fallen). På senare tid gjordes en upptäckt som gör det möjligt för oss att förstå inte bara mekanismen för virusinsättning, utan också syftet med icke-kodande DNA-sekvenser. Det visade sig att det krävs en specifik sekvens på 14 bokstäver med genetisk kod för att integrera viruset. Således kan man hoppas att forskare snart kommer att lära sig att inte bara blockera aggressiva retrovirus, utan också att målmedvetet "introducera" de nödvändiga generna, och genterapi kommer att förvandlas från en dröm till verklighet.
I däggdjurskroppen spelar retrovirus en annan viktig roll. När det gäller däggdjur där fostret utvecklas inuti moderns kropp är frågan berättigad: varför tillåter moderns immunsystem utvecklingen av en organism som till hälften är genetiskt främmande för henne, eftersom hälften av fostrets arvsmassa är faderlig?
Allt handlar om retrovirus som blockerar aktiviteten hos immuna T-lymfocyter som ansvarar för avstötning av organ och vävnader som innehåller främmande proteiner, till exempel efter organtransplantation. Dessa retrovirus aktiveras i arvsmassan i placentans celler, som bildas av fostervävnad.
Nyligen upptäcktes ett virus som blockerar utvecklingen (uttrycket) av ett retrovirus. Om en gravid mus är infekterad med detta blockerande virus föds ungarna normalt och i tid. Men om det introduceras i moderkakans celler uppstår ett missfall hos fostret, eftersom moderns T-lymfocyter aktiveras.
Glöm inte att retrovirala sekvenser också visas direkt i ändarna av kromosomerna - telomerer. Telomerer består som bekant av enkelsträngat DNA, som syntetiseras av enzymet telomeras med hjälp av en RNA-mall. Telomerer tros vara vår molekylära klocka eftersom de förkortas med varje celldelning. Tidigare trodde man att det inte fanns några gener i telomererna, men genom att dechiffrera arvsmassan visade det sig att det finns en hel del gener där och de är aktiva i barndomen och ung vuxen ålder, och gradvis "bleknar bort" när kroppen åldras.
Tandemupprepningar är inte heller så inaktiva. Normalt har de ett visst antal upprepade treor, femmor och till och med sjuor av bokstäver. Men i vissa fall, som ett resultat av mutationer, börjar antalet upprepningar att öka, vilket leder till genominstabilitet. Det går till och med så långt som att "bryta" ändarna på kromosomerna. Fragmentering av de terminala sektionerna av en kromosom kan leda till rörelser (translokation) av DNA-sektioner till en annan kromosom, såväl som syntes av sådana former av protein som orsakar nervcellers död, vilket observeras i ärftlig Huntingtons chorea.
K. Venter sa att förståelsen av genomet kommer att ta hundratals år. När allt kommer omkring vet vi fortfarande inte funktionerna och rollerna för mer än 25 tusen gener. Och vi vet inte ens hur vi ska närma oss att lösa detta problem, eftersom de flesta generna helt enkelt är "tysta" i genomet och inte manifesterar sig på något sätt.
Man bör ta hänsyn till att genomet har ackumulerat många pseudogener och "växlingsgener", som också är inaktiva. Det verkar som om icke-kodande sekvenser fungerar som en isolator för aktiva gener. Samtidigt, även om vi inte har för många gener, tillhandahåller de syntesen av upp till 1 miljon (!) av en mängd olika proteiner. Hur uppnås detta med en så begränsad uppsättning gener?
Som det visade sig finns det en speciell mekanism i vårt genom - alternativ splitsning. Den består av följande. På mallen av samma DNA sker syntesen av olika alternativa mRNA. Splitsning betyder "splittring" när olika RNA-molekyler bildas, som så att säga "splittrar" genen i olika varianter. Detta resulterar i en ofattbar mångfald av proteiner med en begränsad uppsättning gener.
Det mänskliga genomets funktion, liksom alla däggdjurs, regleras av olika transkriptionsfaktorer - speciella proteiner. Dessa proteiner binder till den reglerande delen av genen (promotor) och reglerar därmed dess aktivitet. Samma faktorer kan visa sig olika i olika vävnader. En person har sina egna, unika för honom, transkriptionsfaktorer. Forskare har ännu inte identifierat dessa rent mänskliga egenskaper hos genomet.
SNP
Det finns en annan mekanism för genetisk mångfald, som avslöjades endast i processen att läsa genomet. Detta är en singulär nukleotidpolymorfism, eller de så kallade SNP-faktorerna.
Inom genetik är polymorfism en situation där gener för samma egenskap finns i olika varianter. Ett exempel på polymorfism, eller, med andra ord, multipla alleler, är blodgrupper, när ett kromosomalt lokus (region) kan innehålla varianter av A-, B- eller O-generna.
Singularitet på latin betyder ensamhet, något unikt. En SNP är en förändring av "bokstaven" i den genetiska koden utan "hälsokonsekvenser". Man tror att hos människor förekommer SNP med en frekvens på 0,1 %, d.v.s. Varje person skiljer sig från andra med en nukleotid för varje tusen nukleotider. Hos schimpanser, som är en äldre art och dessutom mycket mer heterogen, når antalet SNP:er vid jämförelse av två olika individer 0,4 %.
Men om skillnader i SNP inte påverkar individers hälsa, varför är de då intressanta och viktiga? För det första är studiet av SNP av stor teoretisk betydelse. De tillåter oss att jämföra befolkningens åldrar och bestämma deras migrationsvägar. Till exempel identifierades 22 SNP-faktorer i den manliga könskromosomen (Y), vars analys i 1007 européer gjorde det möjligt att fastställa att 80% av europeiska män har ett liknande "SNP-mönster", dvs. "ritning". Detta tyder på att för tusentals generationer sedan hade 4/5 av de europeiska männen en gemensam förfader!
Men den praktiska betydelsen av SNP är också stor. Kanske inte alla vet att idag är de vanligaste medicinerna effektiva för högst en fjärdedel av befolkningen. Minimala genetiska skillnader orsakade av SNP bestämmer effektiviteten av läkemedel och deras tolerabilitet i varje specifikt fall. Således identifierades 16 specifika SNP hos diabetespatienter. Totalt, vid analys av den 22:a kromosomen, bestämdes platsen för 2730 SNP: er. I en av generna som kodar för syntesen av adrenalinreceptorn identifierades 13 SNP, som kan kombineras med varandra, vilket ger 8192 olika alternativ(haplotyp).
Det är ännu inte helt klart hur snabbt och fullständigt informationen kommer att börja användas. Låt oss för nu ge ett mer konkret exempel.
Bland astmatiker är läkemedlet albuterol ganska populärt, som interagerar med denna adrenalinreceptor och undertrycker en kvävningsattack. Men på grund av mångfalden av människors haplotyper fungerar läkemedlet inte på alla, och för vissa patienter är det generellt kontraindicerat. Detta beror på SNP: personer med bokstäversekvensen i en av generna TCTC (T-tymin, C-cytosin) svarar inte på albuterol, men om det terminala cytosinet ersätts med guanin (TCTCG), så finns det en reaktion, men partiell. För personer med tymin istället för det terminala cytosinet i denna region - TCTCT - är medicinen giftig!
Proteomics
Denna helt nya gren av biologi, som studerar proteiners struktur och funktion och relationerna mellan dem, är uppkallad efter genomik, som handlade om det mänskliga genomet. Själva födelsen av proteomik förklarar redan varför Human Genome-programmet behövdes. Låt oss förklara med ett exempel utsikterna för en ny riktning.
Redan 1962 var John Candrew och Max Perutz inbjudna till Stockholm från Cambridge tillsammans med Watson och Crick. De tilldelades Nobelpriset i kemi för den första dechiffreringen av den tredimensionella strukturen av proteinerna myoglobin och hemoglobin, ansvariga för transporten av syre i muskler respektive röda blodkroppar.
Låt oss komma ihåg det även i början av 1990-talet. att dechiffrera strukturen för varje nytt protein gav betydande svårigheter. Varje analys tog upp till tio år. Och även om kärnmagnetisk resonans (NMR) nu används istället för röntgenstrålar, tar det mycket tid och pengar att bestämma den rumsliga strukturen för varje protein.
Proteomics gör detta arbete snabbare och billigare. K. Venter noterade att han tillbringade 10 år med att isolera och sekvensera den mänskliga adrenalinreceptorgenen, men nu lägger hans laboratorium 15 sekunder på det. Tillbaka i mitten av 90-talet. Att hitta "adressen" till en gen i kromosomerna tog 5 år, i slutet av 90-talet – sex månader och 2001 – en vecka! Förresten, information om SNP, som det redan finns miljoner av idag, hjälper till att påskynda bestämningen av genpositionen.
Låt oss återgå till proteomiken. Kunskap om aminosyrasekvenser och den tredimensionella strukturen hos vissa proteiner gjorde det möjligt att utveckla program för att jämföra genetiska sekvenser med aminosyror, och sedan program för deras förmodade placering i polypeptidernas tredimensionella struktur. Kunskap om den tredimensionella strukturen gör att du snabbt kan hitta kemiska varianter av molekyler där till exempel det aktiva centret är blockerat, eller bestämma positionen för det aktiva centret i ett mutant enzym.
Det är känt att en ökning av blodtrycket orsakas av enzymet ACE, vars förkortade namn är översatt från engelska som angiotensin-omvandlande enzym. Angiotensin, som bildas under verkan av enzymet, verkar på artärens väggar, vilket leder till hypertoni. För relativt länge sedan upptäcktes ACE-enzymblockerare och började säljas som läkemedel mot högt blodtryck. Dock dessa mediciner visade sig vara ineffektivt.
Genomanalys gjorde det möjligt att isolera ACE-2-genen, som kodar för en vanligare och mer effektiv variant av enzymet. Därefter bestämdes den virtuella strukturen av proteinprodukten, varefter kemikalier binder aktivt till ACE-2-proteinet. Så här hittades ett nytt läkemedel mot blodtryck, på halva tiden och för bara 200 istället för 500 miljoner dollar!
Vi medger att detta var ett exempel på den "pre-genomiska" perioden. Nu, efter att ha läst genomet, kommer proteomiken i förgrunden, vars mål är att snabbt förstå de miljoner proteiner som potentiellt kan finnas i våra celler. Proteomics kommer att göra det möjligt att mer noggrant diagnostisera genetiska avvikelser och blockera de negativa effekterna av mutanta proteiner på cellen.
Och med tiden kommer det att vara möjligt att planera "korrigering" av gener.
Mänskligt genomAtt avkoda det mänskliga genomet är en händelse lika viktig i mänsklighetens historia som upptäckten av elektricitet, uppfinningen av radio eller skapandet av datorer.
Lite historia. I 1988 US National Institutes of Health startade ett projekt "Mänskligt genom", ledd av en nobelpristagare James Watson. Huvudmålet med projektet är att ta reda på sekvensen av nukleotidbaser i alla mänskliga DNA-molekyler och etablera lokalisering, d.v.s. helt kartlägga alla mänskliga gener.
Det var planerat att arbete skulle utföras för att bestämma nukleotidsekvensen för mänskligt DNA ( DNA-sekvensering) borde avslutas 2005. Men efter det första året av arbetet stod det klart att hastigheten på DNA-sekvensering är mycket låg och att det skulle vara omöjligt att slutföra arbetet i en sådan takt det kommer att ta cirka 100 år.
Det blev uppenbart att det var nödvändigt söka efter ny teknik sekvensering, skapande av ny datorteknik och originaldataprogram. Det var det omöjligt i ett enda tillstånd, och andra länder gick med i programmet.
Storskalig samordnad forskning började bedrivas i en internationell organisations regi ^ Human Genome Organisation (HUGO). Sedan 1989 har även Ryssland anslutit sig till projektet. Alla mänskliga kromosomer delades upp mellan de deltagande länderna, och Ryssland fick dem för forskning Kromosom 3, 13 och 19. Var involverade i projektet flera tusen forskare från 20 länder.
1996 skapades världsomspännande mänskliga DNA-databanker. Varje nybestämd nukleotidsekvens större än 1 tusen baser måste offentliggöras via Internet inom 24 timmar efter att den dechiffrerades, annars accepterades inte artiklar med dessa data i vetenskapliga tidskrifter. Vilken specialist som helst i världen kan använda denna information.
I början av 1998, endast ca ^3% av genomet. Vid denna tidpunkt anslöt sig oväntat ett privat amerikanskt företag från Maryland till arbetet. Celera Genomics under ledning Craig Venter, som meddelade att det skulle slutföra sitt arbete fyra år före det internationella konsortiet.
En ras som saknar motstycke inom vetenskapen har börjat. De två lagen arbetade oberoende av varandra och sparade ingen ansträngning för att komma först i mål. Under genomförandet av Human Genome Project utvecklades många nya forskningsmetoder, varav de flesta avsevärt snabbar upp och minskar kostnaden för DNA-avkodning. Dessa analysmetoder används nu inom medicin, kriminalteknik m.m.
I juni 2000år kombinerade två tävlande lag sina uppgifter och tillkännagav officiellt att deras arbete är klart. Och in februari 2001 dök upp vetenskapliga publikationer utkast till struktur av det mänskliga genomet. Kvaliteten på sekvensering är ganska hög och endast förutsätter 1 fel per 50 kb.
Det mänskliga genomet har gått till historien som ett av de mest arbetsintensiva och dyra projekten. Totalt mer än ^ 6 miljarder dollar.
En naturlig fråga uppstår: vilken typ av persons genom bestämdes som ett resultat av dessa titaniska ansträngningar, vem är just denna person? Enligt tillgängliga data fokuserade Celera huvudsakligen på genomet hos en person, om vilken det bara är känt att han var en vit medelålders man. Troligtvis var det chefen för företaget, Craig Venter själv. Det internationella konsortiet använde material från minst sju olika personer i sitt arbete.
Det mänskliga genomet består av 24 kromosomer Och 3,2 miljarder bp Mänskliga kromosomer var numrerade efter storlek: den största finns på kromosom 1, den minsta finns på kromosom 22. Med tiden visade det sig att kromosom 22 innehåller mer DNA än kromosom 21, men numreringsordningen ändrades inte för att inte skapa förvirring. Det finns två separata könskromosomer: X och Y (konventionellt kan de kallas volymerna nr 23 och nr 24 av Encyclopedia of the Human Genome).
^ I det kvinnliga genomet innehöll endast 23 kromosomer av 24, och alla av dem är representerade i somatiska celler i två exemplar. Hos män innehåller cellerna den fullständiga Encyclopedia of Man, alla 24 kromosomerna, men två av dem (kromosomerna X och Y) finns i enstaka exemplar.
Olika kromosomer är väldigt olika varandra genom antalet och egenskaperna hos gener(den första, största, kromosomen innehåller 263 miljoner bp, som utgör 2237 gener, och kromosom 21 innehåller 50 miljoner bp och 82 gener). www. ensemble. org
Kromosomerna skiljer sig också åt i betydelsen av den information som registreras i dem. Antal gener associerade med olika sjukdomar mest på X-kromosomen – 208; vid 1 hms – 157; och i 11 hms - 135. De minsta sådana generna finns i Y hms - endast 3. Men endast helheten av alla kromosomer förser celler med fullständig information som gör att en person kan utvecklas och leva normalt. I frånvaro av något par kromosomer blir livet för en viss individ omöjligt.
Om det går förlorat av någon anledning bara en i paret kromosomtillståndet hos en person skiljer sig mycket från normen. Till exempel partiell monosomi 5:e kromosomen leder till gråta katt syndrom. Barn med denna anomali har ett ovanligt skrik, som orsakas av förändringar i struphuvudet, såväl som skallen och ansiktet.
I mänskliga celler DNA finns också, lokaliserad inte i kromosomer, utan i mitokondrier. Detta är också en del av det mänskliga genomet, som kallas M-kromosom. Till skillnad från kärngenomet är mitokondriella gener kompakta, som i bakteriegenomet, och har sin egen genetiska kod (en sorts "genetisk jargong"). MitDNA är ansvarigt för syntesen av endast ett fåtal proteiner i cellen. Men dessa proteiner är mycket viktiga för cellen eftersom de är involverade i att förse cellen med energi.
Man tror att mitokondrier uppträdde i eukaryota celler som ett resultat av symbios av högre organismer med aeroba bakterier.
MitDNA förs vidare från generation till generation endast genom den kvinnliga linjen. Under befruktningen kommer en spermie med en uppsättning av faderns kromosomer, men utan faderns mitokondrier, in i ägget. Endast ägget tillhandahåller sitt mitDNA till embryot. Därför är mitDNA bekvämt att använda för att bestämma graden av samband både inom arter och mellan olika taxa.
Ett av målen med att forska om det mänskliga genomet var att konstruera exakt och detaljerad karta alla kromosomer. Genetisk kartaär ett diagram som beskriver i vilken ordning gener och andra genetiska element finns på en kromosom. ( klipp-upprepa-gener).
I kodning inga fler proteiner är inblandade 1,5 % mänskligt kromosomalt DNA ( dessa. De genetiska instruktionerna för bildandet av en mänsklig individ upptar endast 3 cm av en två meter lång mänsklig DNA-molekyl).
Analys av det mänskliga genomet visade att han har ca ^ 40 tusen. gener (för idag). De kortaste generna innehåller bara 20 bp (endorfin gener, vilket orsakar en känsla av njutning). Den längsta genen kodar för ett av muskelproteinerna(myodystrofin), innehåller ca 2,5 miljoner bp
^ Densitet generna på kromosomerna varierar mycket. Medeldensiteten är ca. 10 gener per 1 miljon bp. Dock i kromosomen 19 densiteten är 20 gener, och endast i Y-kromosomen 1,5 gener per miljon Om vi jämför genernas täthet med befolkningstätheten hos människor, liknar Y-kromosomen vårt Sibirien, och kromosom 19 liknar den europeiska delen av Ryssland. Gentätheten minskar med den evolutionära komplexiteten hos organismer. Som jämförelse innehåller bakteriegenomet över 1000 gener per 1,0 miljoner i. n., i jäst om 450 gener med 1,0 miljoner bp, och i masken C. elegans - ca 200 .
Precis som människor har familjer förenas gener till familjer genom deras likhet. Det finns cirka 1,5 tusen sådana familjer i det mänskliga genomet. Och bara om hundratals varav specifik för människor och ryggradsdjur. Huvuddelen av genfamiljerna finns hos både människor och daggmaskar.
Olika gener av samma familj uppstod under evolutionen från en prekursorgen som en följd av mutationer. "Besläktade" gener utför oftast en liknande funktion. Till exempel har det mänskliga genomet cirka 1 000 luktreceptorgener.
Finns ibland i genfamiljer pseudogener. Det är gener som har förlorat sin förmåga att uttryckas. De föregås av den grekiska bokstaven . Det är inte helt klart varför genomet behöver sådana gener, varför det bevarade dem i evolutionen och inte gjorde sig av med dem. Det mänskliga genomet innehåller ca 20 000 sådana pseudogener. I synnerhet i den enorma familjen av luktgener är cirka 60% pseudogener. Man tror att en massiv förlust av funktionella gener har inträffat under de senaste 10 miljoner åren på grund av nedgången i luktens roll hos människor jämfört med andra däggdjur.
Cirka 20 % av mänskliga gener fungerar i alla typer av mänskliga celler. De återstående generna fungerar bara i vissa vävnader och organ. Till exempel, globin gener uttrycks endast i blodkroppar, eftersom deras huvudsakliga funktion är att transportera syre.
Ett exempel på den högsta specialiseringen av gener är luktgener. I varje cell i det mänskliga luktorganet - luktlöken - fungerar endast 1 gen av 1000 möjliga. Forskare var mycket förbryllade över det faktum att några av dessa gener, förutom luktlöken, aktiveras i en annan typ av celler - spermier. Hur detta förhåller sig till uppfattningen av lukt är ännu inte helt klart.
Kromosomkartläggning har också gjort det möjligt att identifiera lokaliseringen av regioner som är ansvariga för vissa mänskliga sjukdomar.
Till exempel, i den första kromosomgener förknippade med bröstcancer. I andra - med fetma. I tredje- med schizofreni. I fjärde En gen har upptäckts på kromosomen, vars mutationer leder till utvecklingen av alkoholism. Mutationer i terminalregionen X-kromosomer orsakar anlag för homosexualitet.
Specialisters uppmärksamhet uppmärksammades också på gener associerade med vissa drag av mänskligt beteende. Dessa gener kodar för proteiner som är involverade i att överföra signaler mellan nervceller (till exempel proteinet serotonin). Forskare har kallat genen som kodar för serotoninreceptorn för "självmordsgenen". Mutationer i denna gen gör att människor har en tendens till negativa känslor och suicidala tendenser.
En annan signalsändare i nervsystemet är dopamin- ett ämne som spelar en nyckelroll i hjärnans njutningscentras funktion. Överskott av dopamin orsakar utforskande hyperaktivitet hos djur Det upptäcktes att en av generna som kodar för dopaminreceptorproteiner kan existera i olika allelformer (lång och kort). Människor med den långa allelen är mer benägna att söka nya upplevelser, varför den upptäckta genen fick namnet "nyhetssökande genom." Hos amerikaner är den långa allelen av dopaminreceptorgenen 25 gånger vanligare än, säg, hos invånare i söder och Östasien. Från historien vet vi hur Amerika bosattes av européer. Först och främst var de energiska människor, benägna till äventyrlighet, nyfikna och impulsiva. Så de introducerade den långa allelen för den "nyhetssökande genen" i den moderna amerikanska befolkningen.
Nyligen upptäcktes två gener som är ansvariga för moderns instinkter (dessa gener fick namnet "moderns instinkt" gener). Samtidigt visade det sig, till allas förvåning, att döttrar får båda generna från sina fäder. Djur som saknade "moderns instinkt"-gener brydde sig inte om nyfödda.
Det måste betonas att, till skillnad från gener som ansvarar för fysiska parametrar, innebär närvaron av "sjuka" gener som formar psyket och beteendet inte att en person är helt dömd till vissa negativa manifestationer. För det första, som regel, inte en, utan en uppsättning gener är ansvarig för mentala egenskaper. Det finns en mycket komplex och ibland mycket tvetydig interaktion mellan dem, vars effekt beror på många olika faktorer. För det andra, enligt de flesta forskare, är det mänskliga psyket och beteendet bara en procent 50 bestäms av gener.
En av metoderna för att studera påverkan miljö manifestationen av genotypen är observationen av enäggstvillingar. Detta tillvägagångssätt inom genetik kallas "tvillingmetoden"».
Enäggstvillingar bildas genom delning av samma zygot och innehåller identiska genom. Även om uppkomsten av tvillingar är en ganska sällsynt företeelse (man tror att en person har en tvilling var 80-85:e födsel), är de tillgängliga fallen ändå tillräckliga för att genomföra lämplig forskning.
Ett av de tydligaste sätten att identifiera en person är fingeravtryck. Karakteristiska "mönster" bildas i embryot redan under den tredje utvecklingsmånaden och förblir oförändrade under hela livet. När man jämförde tvillingarnas hudmönster, avslöjades det att de är väldigt lika, men överraskande nog inte alltid helt identiska.
När man studerade ett antal andra egenskaper observerades också små variationer hos tvillingar: ögon- och hårfärg, öronform.
En storskalig jämförelse av enäggstvillingar med varandra visade att förekomsten av sådana infektionssjukdomar som mässling, kikhosta, vattkoppor, beror nästan helt på orsaken till sjukdomen, men polio och tuberkulos bestäms också av en persons ärftliga egenskaper. I synnerhet är förekomsten av tuberkulos hos båda enäggstvillingarna mer än 3 gånger högre än hos två tvillingar.
En studie av tvillingar som genomfördes vid Karolinska Institutet i Stockholm har på ett övertygande sätt visat den betydande inverkan av miljöfaktorer (rökning, föroreningar, kost, livsstil) på utvecklingen av vissa former av maligna sjukdomar. Samtidigt har inverkan av genetiska faktorer noterats på förekomsten av cancer prostata-, kolorektal- och bröstcancer.
Vid analys av tvillingar fann man att mental utveckling kan också förklaras genetiskt. Om den ena av ett enäggstvillingpar är svagsinnad visar sig nästan alltid den andra vara likadan.
Ryska forskare genomförde en studie av tvillingbarn i åldern 7 till 12 månader för att fastställa i vilken utsträckning genetik och miljö påverkar aggressivitet, irritabilitet, aktivitet och sällskaplighet. Det visade sig att de tre första egenskaperna hos temperament är under strikt genetisk kontroll: aggressiviteten hos ett spädbarns beteende: 94 procent bestäms av dess genotyp, aktivitet - 89 procent, irritabilitet - 85 procent. Och sällskaplighet är nästan 90% bildad under påverkan av miljön skapad av föräldrar.
Tack vare tvillinganalysmetoden, den brett diskuterade homosexualitetsproblem. Det finns redan tillförlitliga bevis för att ungefär 57 % av enäggstvillingar och bröder till homosexuella män också är homosexuella. För lesbiska kvinnor är siffran cirka 50 %.
Medvetenhet om homosexualitet som en ärftlig sjukdom kan hjälpa till att avgöra hur problemet med homofobi(det är dåligt att hata sjuka människor), och problemet med aggressiv homosexualitet(dessa människor kräver att bli erkända som friska och fullfjädrade, ibland är de till och med stolta över sin egenhet). Men om vi betraktar homosexualitet som en sjukdom, som en patologi, förändras situationen radikalt. Det är svårt att föreställa sig en person som står stolt med en skylt: "Jag lider av schizofreni, så jag kräver respekt för mig själv som en fullvärdig medlem av samhället!"
Enligt moderna uppskattningar, förväntad livslängd människa, är också associerad med genetiska faktorer, vars roll uppskattas till 65-70%.
Många och varierande data tyder på att arvsmassan bestämmer mycket av oss, men miljön stör också avsevärt vår essens. Forskare jämför ibland förhållandet mellan gener och miljö med en laddad pistol och avtryckare. Pistolen avfyras inte förrän avtryckaren trycks in. Situationen är densamma i en cell, där en gen fungerar som en laddad pistol, och alla möjliga miljöfaktorer utför triggerfunktionen. Det finns en annan jämförelse - med ett kortspel: en bra spelare kan vinna med dåliga kort.
För att förstå de många sambanden som finns mellan manifestationen av individuella genvarianter och påverkan av olika miljöfaktorer i denna process, skapades ett speciellt internationellt projekt - Miljögenomprojektet. Bland många uppgifter detta projekt Huvudsaken är naturligtvis studiet av miljöns inverkan på livslängden, liksom på förekomsten och utvecklingen av olika mänskliga sjukdomar. I slutändan kan detta projekt visa sig inte mindre viktigt och komplext än det berömda och mycket dyra projektet att sekvensera det mänskliga genomet. Och det råder ingen tvekan om att det kommer att pågå mycket längre än genomprojektet.
