علم الجينوم الاصطناعي: على بعد نصف خطوة من "عنصر الحياة". علم الجينوم يخدم علم الوراثة

قسم الأحياء الطبية وعلم الوراثة

الجينوم. علم الجينوم.

كازان، 2005

القضايا المغطاة

1. مقدمة في علم الجينوم.

1.2. أقسام علم الجينوم

1.3. مراحل تطور علم الجينوم.

2. تنظيم الجينوم البشري. ظاهرة تعدد الأشكال.

2.1. الجينات الفريدة.

2.2. عائلة الجينات.

2.3. المناطق التنظيمية.

2.4. التكرار.

2.5. الترانسبوزونات .

2.5.1. الأهمية البيولوجية للعناصر القابلة للنقل.

3. ظاهرة تعدد الأشكال.

1. مقدمة في علم الجينوم.

1.1. تعريف الجينوم وعلم الجينوم.

بادئ ذي بدء، دعونا نحدد مفهوم "الجينوم". هناك عدة تعريفات للجينوم. في القاموس الموسوعي "علم الوراثة" قدم N. A. Kartel وآخرون تعريفين للجينوم. أولاً، يُفهم الجينوم على أنه مجموع المجموعة الصبغية من الكروموسومات لنوع معين من الكائنات الحية. وثانيًا، هذه هي كل المادة الوراثية لفيروس أو خلية أو كائن حي فردي، وهو ليس خليطًا صبغيًا. في عرضنا، سننطلق من حقيقة أن جينوم الخلية هو المجموعة الكاملة من الحمض النووي الموجود في النواة والميتوكوندريا (البلاستيدات) لهذه الخلية أو الكائن الحي. غالبًا ما يستخدم هذا التعريف في الأعمال المتعلقة بدراسة الجينوم.

تتم دراسة بنية ووظيفة الجينوم بواسطة علم خاص - علم الجينوم.

أصبح التقدم في دراسة الجينوم البشري أكثر وضوحًا فيما يتعلق بتطوير مشروع الجينوم البشري الدولي وتنفيذه لاحقًا. جمع هذا المشروع الدولي جهود مئات العلماء من بلدان مختلفةوتم تنفيذها من عام 1989 إلى عام 2005. الاتجاهات الرئيسية للمشروع هي رسم الخرائط الجينية (تحديد توطين الجينات على الكروموسومات) وتسلسل الحمض النووي أو الحمض النووي الريبي (ترتيب النيوكليوتيدات في الحمض النووي أو الحمض النووي الريبي). كان البادئ بهذه الحركة منذ البداية هو العالم الحائز على جائزة نوبل ج. واتسون. في روسيا، أصبح الأكاديمي أ. تم إنفاق أكثر من 6 مليارات دولار على المشروع. كانت التكاليف المادية التي تكبدتها روسيا متواضعة للغاية لدرجة أنها لم تؤخذ في الاعتبار في الحساب الإجمالي للتكاليف. وعلى الرغم من ذلك، أجرى العلماء الروس أبحاثًا حول رسم خرائط الكروموسومات 3،4،13 و19. أتاح المشروع فك رموز تسلسل النيوكليوتيدات في الجينوم البشري بشكل كامل. في الواقع، كانت هذه هي المرحلة الأولى - الهيكلية. أما المرحلة الثانية، والتي تسمى الوظيفية، فسترتبط بفك تشفير وظيفة الجين. شكلت النتائج التي تم الحصول عليها في مجال أبحاث الجينوم أساس أول كتاب دراسي للجامعات بعنوان "علم الجينوم" والذي نشر في الولايات المتحدة في عام 2000 من قبل سي. كانتور وك. سميث.

1.2. أقسام علم الجينوم

ينقسم علم الجينوم إلى خمسة أقسام مستقلة.

الجينوم الهيكلي يدرس تسلسل النوكليوتيدات في الجينوم، ويحدد حدود وبنية الجينات، والمناطق الجينية، والمروجين، والمعززات، وما إلى ذلك، أي. في الواقع يشارك في الإعداد الخرائط الجينيةجسم. وتشير التقديرات إلى أن الجينوم البشري يتكون من 3,2 مليار نيوكليوتيدات.

الجينوم الوظيفي يحدد وظيفة كل جين ومنطقة جينوم وتفاعلهما في الجهاز الخلوي. من أهم مهام علم الجينوم إنشاء ما يسمى ب "شبكة الجينات"- العمل المترابط للجينات. على سبيل المثال، تتضمن شبكة الجينات في نظام المكونة للدم عمل ما لا يقل عن 500 جين. فهي ليست مترابطة فحسب، بل ترتبط أيضًا بجينات أخرى.

الجينوم المقارن يدرس أوجه التشابه والاختلاف في تنظيم جينومات الكائنات الحية المختلفة.

الجينوم التطوري يشرح المسارات التطورية للجينومات، وأصل تعدد الأشكال الجيني والتنوع البيولوجي، ودور نقل الجينات الأفقي. عند تطبيقها على البشر، وكذلك على أي كائن حي، يمكننا القول أن التطور البشري هو تطور الجينوم.

الجينوم الطبي يحل القضايا التطبيقية للطب السريري والوقائي بناءً على معرفة الجينوم البشري والكائنات المسببة للأمراض.

الجينوم البشري هو الأساس الطب الجزيئيوتستخدم إنجازاتها في تطوير طرق فعالة لتشخيص وعلاج والوقاية من الأمراض الوراثية وغير الوراثية. إذا كان من المفترض ذلك من قبل علم الأمراض الوراثي، يرتبط بجينات معينة أو مناطق تنظيمية، والآن تجتذب تسلسلات النيوكليوتيدات الموجودة في المساحات بين الجينات المزيد والمزيد من الاهتمام. لقد تم اعتبارهم "صامتين" لفترة طويلة. حاليًا، يتم جمع المزيد والمزيد من المعلومات حول تأثيرها على التعبير الجيني.

أكدت الأبحاث الجينومية مرة أخرى الحاجة إلى اتباع نهج فردي للوقاية من الأمراض وعلاجها. من الأمور ذات الأهمية الكبيرة للطب الدراسات المتعلقة بتجميع "شبكة الجينات" - أنماط التفاعل بين الجينات على مستوى منتجات البروتين. وقد ساهمت هذه الدراسات في خلق علم جديد في علم الجينوم - البروتينات، الذي يدرس المشهد البروتيني للخلية في أنماط مختلفة من عمل الجينات. تظهر النتائج التي تم الحصول عليها بوضوح جدوى النهج الفردي لعلاج المرض. الآن أصبح علم البروتينات علمًا مستقلاً، ويرتبط ارتباطًا وثيقًا بعلم الجينوم.

وفي هذا الصدد، ينبغي التأكيد على أن أطروحة "ليس علاج المرض، بل علاج المريض" قد حظيت بتأكيد كبير في العديد من الدراسات التي أجريت على الجينوم والبروتينات. وبناءً على ذلك، فإن أولوية هذا الحكم في الممارسة الطبية لم تعد موضع شك.

في نهاية القرن العشرين، تطورت التقنيات الجزيئية بشكل مكثف لدرجة أنه تم إنشاء المتطلبات الأساسية للدراسة المنهجية لبنية الجينوم. أنواع مختلفةالكائنات الحية، بما في ذلك البشر. أحد أهم أهداف هذه المشاريع هو تحديد تسلسل النيوكليوتيدات الكامل للحمض النووي الجينومي. وهكذا ولد علم جديد - علم الجينوم.

تميزت بداية الألفية الجديدة بأكبر اكتشاف في مجال علم الجينوم - حيث تم فك رموز بنية الجينوم البشري. وتبين أن الأخبار كانت ذات أهمية كبيرة لدرجة أنها أصبحت موضوع نقاش بين رؤساء الدول الرائدة في العالم. ومع ذلك، لم يعجب الكثير من الناس بهذه الرسالة. ويرجع ذلك في المقام الأول إلى عدم فهم ماهية الجينوم، وما هو تركيبه وما يعنيه فك شفرته؟ هل لهذا الخبر علاقة بالطب وهل يمكن أن يؤثر على كل واحد منا؟ ما هو الطب الجزيئي وهل يرتبط تطوره بفك بنية الجينوم؟ وعلاوة على ذلك، فإن بعض الناس لديهم مخاوف بشأن ما إذا كان مرة أخرىاكتشاف جديد قدمه العلماء للإنسانية؟ هل سيتم استخدام هذه البيانات للأغراض العسكرية؟ ألن يتبع ذلك فحص جيني إلزامي عام - وهو نوع من الشهادات الجينية للسكان؟ هل سيكون الجينوم الخاص بنا موضوعًا للتحليل وما مدى سرية المعلومات التي سيتم الحصول عليها؟ تتم حاليًا مناقشة كل هذه القضايا بنشاط في المجتمع العلمي.

بطبيعة الحال، لم يبدأ علم الجينوم مع البشر، بل مع كائنات حية أكثر تنظيما وأكثر بساطة. حاليًا، تم فك رموز تسلسل النيوكليوتيدات للحمض النووي الجينومي لمئات الأنواع من الكائنات الحية الدقيقة، ومعظمها مسببة للأمراض. بالنسبة إلى بدائيات النوى، تبين أن اكتمال التحليل مطلق، أي أنه لا يوجد نيوكليوتيدات واحدة لم يتم فك رموزها! ونتيجة لذلك، لا يتم تحديد جميع جينات هذه الكائنات الحية الدقيقة فحسب، بل يتم أيضًا تحديد تسلسل الأحماض الأمينية للبروتينات التي تشفرها. لقد لاحظنا مرارًا وتكرارًا أن معرفة تسلسل الأحماض الأمينية للبروتين يسمح لنا بالتنبؤ بدقة إلى حد ما ببنيته ووظائفه. ويفتح المجال أمام الحصول على أجسام مضادة لهذا البروتين المتوقع وعزله عن الكائنات الحية الدقيقة وتحليله كيميائيا حيويا مباشرا. دعونا نفكر فيما يعنيه هذا بالنسبة لتطوير طرق جديدة بشكل أساسي لمكافحة العدوى، إذا كان الطبيب لا يعرف فقط كيفية تركيب جينات الكائنات الحية الدقيقة المسببة للعدوى، ولكن أيضًا ما هي بنية ووظيفة جميع بروتيناتها؟ يشهد علم الأحياء الدقيقة حاليًا تغيرات هائلة نتيجة لظهور كم هائل من المعرفة الجديدة، والتي لا نفهم أهميتها حاليًا بشكل كامل. ومن الواضح أن الأمر سيستغرق عقودًا أخرى للتكيف مع هذا الأمر معلومات جديدةلاحتياجات الإنسانية، في المقام الأول في مجال الطب و زراعة.

إن الانتقال من بدائيات النوى إلى حقيقيات النوى من حيث فك رموز بنية الجينوم يصاحبه صعوبات كبيرة، وليس فقط لأن طول الحمض النووي الأعلى أكبر بآلاف وأحيانا مئات الآلاف من المرات، ولكن بنيته تصبح أكثر تعقيدا أيضا. دعونا نتذكر أن كمية كبيرة من الحمض النووي غير المشفر تظهر في جينوم الكائنات الحية العليا، وجزء كبير منها عبارة عن تسلسلات متكررة. إنها تسبب ارتباكًا كبيرًا في الربط الصحيح لأجزاء الحمض النووي التي تم فك شفرتها بالفعل. وإلى جانب ذلك، يصعب فك رموز التكرار الترادفي بهذه الطريقة. في مجال توطين مثل هذه التكرارات، قد يكون للحمض النووي تكوين غير عادي، مما يعقد تحليله. لذلك، في جينوم أحد أنواع الدودة المجهرية (الديدان الخيطية) - أول كائن متعدد الخلايا، والذي كان من الممكن تحديد تسلسل النوكليوتيدات في الحمض النووي - هناك بالفعل عدد من الأماكن غير الواضحة المتبقية. صحيح أن نسبتها أقل من جزء من مائة بالمائة من الطول الإجمالي للحمض النووي، ولا تتعلق أوجه الغموض هذه بالجينات أو العناصر التنظيمية. وقد تم تحديد تسلسل النيوكليوتيدات لجميع جينات هذه الدودة البالغ عددها 19099 جينًا، والموزعة على مساحة 97 مليون زوج قاعدي، بشكل كامل. ولذلك، ينبغي اعتبار العمل على فك جينوم الديدان الخيطية ناجحا للغاية.

ويرتبط النجاح الأكبر بفك تشفير جينوم ذبابة الفاكهة، الذي يكون حجمه أصغر مرتين فقط من الحمض النووي البشري وأكبر 20 مرة من الحمض النووي للديدان الخيطية. وعلى الرغم من الدرجة العالية من المعرفة الوراثية لذبابة الفاكهة، إلا أن حوالي 10% من جيناتها كانت غير معروفة حتى هذه اللحظة. لكن الشيء الأكثر تناقضًا هو أن ذبابة الفاكهة، وهي أكثر تنظيمًا بكثير مقارنة بالديدان الخيطية، لديها جينات أقل من الدودة المستديرة المجهرية! من وجهة نظر بيولوجية حديثة، يصعب تفسير ذلك. يوجد أيضًا جينات أكثر من جينات ذبابة الفاكهة في الجينوم الذي تم فك شفرته لنبات من العائلة الصليبية - الأرابيدوبسيس، والذي يستخدمه علماء الوراثة على نطاق واسع ككائن تجريبي كلاسيكي.

وقد رافق تطوير مشاريع الجينوم تطوير مكثف في العديد من مجالات العلوم والتكنولوجيا. وهكذا، المعلوماتية الحيوية. تم إنشاء واحدة جديدة جهاز رياضيلتخزين ومعالجة كميات هائلة من المعلومات؛ تم تصميم أنظمة حاسوبية عملاقة ذات قوة غير مسبوقة؛ تمت كتابة آلاف البرامج التي تسمح، في غضون دقائق، بإجراء تحليل مقارن لكتل مختلفة من المعلومات، وإدخال البيانات الجديدة التي تم الحصول عليها في مختلف المختبرات حول العالم يوميًا في قواعد بيانات الكمبيوتر، وتكييف المعلومات الجديدة مع تلك الموجودة. المتراكمة في وقت سابق. وفي الوقت نفسه، تم تطوير أنظمة للعزل الفعال عناصر مختلفةالجينوم والتسلسل التلقائي، أي تحديد تسلسل نيوكليوتيدات الحمض النووي. وعلى هذا الأساس، تم تصميم الروبوتات القوية التي تعمل على تسريع عملية التسلسل بشكل كبير وجعلها أقل تكلفة.

وقد أدى تطور علم الجينوم بدوره إلى اكتشاف عدد كبير من الحقائق الجديدة. أهمية العديد منهم لا يزال يتعين تقييمها في المستقبل. ولكن حتى الآن من الواضح أن هذه الاكتشافات ستؤدي إلى إعادة التفكير في العديد من المواقف النظرية فيما يتعلق بالنشوء والتطور أشكال مختلفةالحياة على الأرض. وسوف تساهم في فهم أفضل للآليات الجزيئية الكامنة وراء عمل الخلايا الفردية وتفاعلاتها؛ فك التشفير التفصيلي للعديد من الدورات البيوكيميائية غير المعروفة حتى الآن؛ تحليل علاقتها بالعمليات الفسيولوجية الأساسية. وبالتالي، هناك انتقال من الجينوم البنيوي إلى الجينوم الوظيفي، والذي بدوره يخلق المتطلبات الأساسية للبحث الأساس الجزيئيعمل الخلية والجسم ككل. المعلومات المتراكمة الآن ستكون موضوع التحليل على مدى العقود القليلة القادمة. لكن كل خطوة تالية نحو فك رموز بنية جينومات الأنواع المختلفة تؤدي إلى ظهور تقنيات جديدة تسهل عملية الحصول على المعلومات. وبالتالي، فإن استخدام البيانات المتعلقة ببنية ووظيفة جينات الأنواع الأقل تنظيمًا من الكائنات الحية يمكن أن يؤدي إلى تسريع عملية البحث بشكل كبير جينات محددةأعلى. والآن، غالباً ما تحل أساليب التحليل الحاسوبي المستخدمة لتحديد الجينات الجديدة محل الأساليب الجزيئية كثيفة العمالة للبحث عن الجينات.

إن النتيجة الأكثر أهمية لفك رموز بنية الجينوم لنوع معين هي القدرة على التعرف على جميع جيناته، وبالتالي تحديد وتحديد الطبيعة الجزيئيةجزيئات الحمض النووي الريبي (RNA) المنسوخة وجميع بروتيناتها. وبالقياس على الجينوم، ولدت المفاهيم نسخة، الذي يجمع بين مجموعة من جزيئات الحمض النووي الريبي (RNA) التي تشكلت نتيجة للنسخ، و بروتينيوالتي تتضمن العديد من البروتينات المشفرة بواسطة الجينات. وهكذا، فإن علم الجينوم يخلق الأساس للتطوير المكثف للعلوم الجديدة - البروتيناتو ترنسكريبتوميكس. علم البروتينات هو دراسة بنية ووظيفة كل بروتين. تحليل تكوين البروتين في الخلية. تحديد الأساس الجزيئي لعمل الخلية الفردية، والذي يكون نتيجة العمل المنسق لمئات البروتينات، ودراسة تكوين الخاصية المظهرية للكائن الحي، والتي تكون نتيجة العمل المنسق مليارات الخلايا. تحدث أيضًا عمليات بيولوجية مهمة جدًا على مستوى الحمض النووي الريبي (RNA). تحليلهم هو موضوع النسخ.

كانت أعظم الجهود التي بذلها العلماء من العديد من دول العالم العاملين في مجال علم الجينوم تهدف إلى حلها مشروع دولي“الجينوم البشري”. ويرتبط التقدم الكبير في هذا المجال بتنفيذ الفكرة التي اقترحها J. S. Venter للبحث عن تسلسلات الحمض النووي المعبر عنها وتحليلها، والتي يمكن استخدامها لاحقًا كنوع من "الاختصارات" أو علامات مناطق معينة من الجينوم. تم استخدام نهج آخر مستقل ومثمر في عمل المجموعة التي يقودها الأب. كولينز. ويستند إلى التحديد الأولي للجينات للأمراض البشرية الوراثية.

أدى فك رموز بنية الجينوم البشري إلى اكتشاف مثير. وتبين أن الجينوم البشري يحتوي على 32 ألف جين فقط، وهو أقل بعدة مرات من عدد البروتينات. وفي الوقت نفسه، لا يوجد سوى 24000 جينًا لترميز البروتين؛ ومنتجات الجينات المتبقية هي جزيئات الحمض النووي الريبوزي (RNA). تبلغ نسبة التشابه في تسلسل نيوكليوتيدات الحمض النووي بين مختلف الأفراد والمجموعات العرقية والأعراق 99.9%. هذا التشابه هو ما يجعلنا بشرًا – الإنسان العاقل! كل تقلباتنا على مستوى النوكليوتيدات تتناسب مع رقم متواضع جدًا - 0.1٪. وهكذا فإن علم الوراثة لا يترك مجالاً لأفكار التفوق القومي أو العنصري.

ولكن دعونا ننظر إلى بعضنا البعض - نحن جميعا مختلفون. أصبحت الاختلافات الوطنية، وحتى العرقية، أكثر وضوحًا. إذن، ما هو عدد الطفرات التي تحدد التباين البشري، ليس بالنسبة المئوية، ولكن بالقيمة المطلقة؟ من أجل الحصول على هذا التقدير، عليك أن تتذكر حجم الجينوم. يبلغ طول جزيء الحمض النووي البشري 3.2 × 10 9 أزواج قاعدية. 0.1% منها عبارة عن 3.2 مليون نيوكليوتيدات. لكن تذكر أن الجزء المشفر من الجينوم يحتل أقل من 3٪ من الطول الإجمالي لجزيء الحمض النووي، وأن الطفرات خارج هذه المنطقة، في أغلب الأحيان، ليس لها أي تأثير على التباين المظهري. وبالتالي، للحصول على تقدير متكامل لعدد الطفرات التي تؤثر على النمط الظاهري، نحتاج إلى أخذ 3٪ من 3.2 مليون نيوكليوتيدات، مما سيعطينا رقمًا في حدود 100000، أي حوالي 100 ألف طفرة تشكل النمط الظاهري لدينا التقلب. إذا قارنا هذا الرقم مع العدد الإجمالي للجينات، يتبين أنه في المتوسط هناك 3-4 طفرات لكل جين.

ما هي هذه الطفرات؟ تحدد أغلبيتهم الساحقة (70٪ على الأقل) تقلبنا الفردي غير المرضي، وهو ما يميزنا، لكنه لا يجعلنا أسوأ فيما يتعلق ببعضنا البعض. يتضمن ذلك خصائص مثل لون العين، والشعر، والجلد، ونوع الجسم، والطول، والوزن، ونوع السلوك، والذي يتم تحديده أيضًا إلى حد كبير وراثيًا، وغير ذلك الكثير. ترتبط حوالي 5٪ من الطفرات بأمراض أحادية المنشأ. ينتمي حوالي ربع الطفرات المتبقية إلى فئة تعدد الأشكال الوظيفية. إنهم يشاركون في تكوين الاستعداد الوراثي لعلم الأمراض متعدد العوامل على نطاق واسع. بالطبع، هذه التقديرات تقريبية للغاية، لكنها تسمح لنا بالحكم على بنية التقلبات الوراثية البشرية.

مرشح العلوم الكيميائية أولغا بيلوكونيفا.

قام باحثون أمريكيون لأول مرة ببناء الجينوم الكامل لبكتيريا "في المختبر" وإدخاله في قشرة بكتيريا من نوع آخر، وبذلك حصلوا على جينوم كامل لبكتيريا من نوع آخر. خلية حيةقادرة على التكاثر. الآن الخطوة التالية هي إنشاء كائن حي قابل للحياة مع الحد الأدنى من الجينات.

تكنولوجيا لإنتاج البكتيريا بجينوم صناعي متكامل.

فريق دولي من الباحثين الذين خلقوا الحياة الاصطناعية.

قادة العمل كريج فينتر (يسار) وهاميلتون سميث.

صورة مجهرية إلكترونية للبكتيريا الاصطناعية Mycoplasma mycoides.

ما لا أستطيع خلقه
لا أستطيع أن أفهم.
ريتشارد فاينمان، الحائز على جائزة نوبل في الفيزياء

عادةً ما يعمل الكيميائيون الذين يدرسون المركبات الطبيعية وفقًا للمنطق التالي: أولاً، يجدون مادة جديدة في الطبيعة، ثم يحددون وظيفتها وبنيتها، وأخيرًا يحاولون تصنيع هذا المركب في المختبر لمقارنة خصائص المادة. مركب طبيعي ونظيره الاصطناعي. هذه هي الطريقة الوحيدة لإثبات أن مادة ذات بنية كيميائية معينة لها خصائص معينة. ولكن في التلاعب الجيني، لم ينجح هذا النهج لفترة طويلة - كان هيكل الحمض النووي معروفا بالفعل، لكن لا أحد يستطيع حل المشكلة العكسية.

علم خلق الأعمال

درس الأمريكي كريج فينتر، أحد قدامى المحاربين في حملة فيتنام، الكيمياء الحيوية وحصل على درجة أكاديميةلكنه لم يبق طويلا داخل جدران المختبر. انجذب الباحث الشاب إلى العمل. وفي عام 1998، شارك في إنشاء شركة التكنولوجيا الحيوية Celera Genomics. في وقت إنشاء الشركة، كان العمل على قدم وساق لفك جينوم الكائنات الحية، بما في ذلك البشر. لكن التقدم كان محدودا بسبب النقص في تكنولوجيا تسلسل الحمض النووي (تحديد تسلسل النوكليوتيدات). كجزء من فريق من الباحثين، شارك فنتر في تطوير طريقة تسلسل جديدة - طريقة البندقية. وباستخدام هذه الطريقة، تم فك رموز الجينوم البشري بالكامل في غضون عامين. أراد فنتر بيع البحث للشركة، لكن المجتمع العلمي أعرب عن عدم رضاه واضطر إلى الاستسلام. لقد نشر جميع نتائج فك تشفير الجينوم على الإنترنت وترك شركة Celera Genomics تعمل على الإنشاء المعهد الجديداسم نفسك.

إحدى المبادرات الرائدة لمعهد كريج فنتر في العقد الأول من القرن الحادي والعشرين كانت ما يسمى بالمشاريع الميتاجينومية. قامت البعثات التي نظمها المعهد بتحليل الجينوم السكاني الكائنات الحية المختلفةالذين يعيشون في سارجاسو والبحار الأخرى. وباستخدام التقنيات الجينومية، تمكن الفريق من وصف التنوع الجيني للمملكة تحت الماء، مع اكتشاف آلاف الجينات الجديدة والأنواع الجديدة من الكائنات الحية.

والآن بعد أن أصبح التركيب الكيميائي للعديد من الجينومات المعقدة معروفًا، منطقيًا، كان من الضروري البدء في تصنيع جينوم اصطناعي، وهو ما فعله فينتر. إحدى أفكار فنتر الأخرى كانت إنشاء كائن حي قابل للحياة مع الحد الأدنى من مجموعة الجينات. يمكن أن تسمى هذه الوحدة الجينية "عنصر الحياة" - خلية "الحد الأدنى". وقياسًا على الكيمياء، فإن أبسط وحدة هي ذرة الهيدروجين.

لا توجد خلية "ضئيلة" حتى الآن، لكن كائنًا حيًا له جينوم اصطناعي يعيش بالفعل ويتكاثر في مختبر معهد كريج فينتر. هذه بكتيريا عادية تختلف عن غيرها فقط في أن الحمض النووي الخاص بها يتم تصنيعه "في المختبر".

منذ بداية العمل وحتى النشر التاريخي في مايو 2010 في مجلة ساينس تحت عنوان “إنشاء خلية بكتيرية يتحكم فيها جينوم مركب كيميائيا”، مرت 15 سنة طويلة، وبلغت تكلفة المشروع 40 مليون دولار. سبق هذا الإنجاز العلمي الكبير نجاح آخر - في عام 2003، تمكن فريق فينتر من إنشاء فيروس بجينوم اصطناعي.

وبالإضافة إلى فنتر، فإن الفريق الدولي من الباحثين الناجحين في موقعي المعهد، في روكفيل بولاية ميريلاند، ولا جولا بولاية كاليفورنيا، يرأسه عالمان متميزان آخران. واحد منهم هو الحائز على جائزة نوبل 1978 هاملتون سميث. جائزة نوبلحصل على اكتشافه الذي بشر بعصر المعالجة الكيميائية للجينوم: فقد عزل إنزيمات التقييد - الإنزيمات التي تقطع جزيء الحمض النووي إلى أجزاء منفصلة. زعيم آخر للعمل هو عالم الأحياء الدقيقة المتميز، ممثل السلالة العلمية الشهيرة كلايد هاتشيسون الثالث.

أصبح الحمض النووي الاصطناعي، الذي يتكون من 1.08 مليون نيوكليوتيدات، أطول جزيء تم تصنيعه في المختبر على الإطلاق. تحتوي أول خلية اصطناعية في التاريخ على كروموسوم اصطناعي بالكامل، تم تصنيعه من مكونات كيميائية باستخدام برنامج كمبيوتر. هذه لم تعد التكنولوجيا الهندسة الوراثيةعندما يتمكن العلماء من تغيير أو استكمال جينوم الكائنات الحية بعدة جينات أو مجموعة جينات، فإن هذا يعد عملية زرع كاملة للجينوم بأكمله.

زرع الجينوم

تتألف تجربة إنشاء حياة اصطناعية مما يلي: قام العلماء بتركيب جينوم إحدى البكتيريا وإدخاله في خلية بكتيريا من نوع آخر. وتبين أن الكائن الحي الناتج مع قشرة البكتيريا المتلقية Mycoplasma capricolum مطابق للبكتيريا المانحة Mycoplasma mycoides. وهكذا، لأول مرة، تم إثبات أن الحمض النووي يحتوي بالفعل على معلومات كاملة حول عمل الخلية الحية بأكملها.

وقد بدت الهجينة الناتجة ونمت وتكاثرت تمامًا مثل الميكوبلازما الفطرية. علامة أخرى مهمة على أنها Mycoplasma mycoides هي أن البكتيريا المهندسة قامت بتصنيع البروتينات المميزة لهذا النوع بالذات. صحيح أن البكتيريا الاصطناعية لا تزال مختلفة عن البكتيريا الطبيعية. في الوقت الحالي، يمكنها العيش والتكاثر فقط في المختبر، في وسط غذائي خاص الظروف الطبيعيةالبكتيريا غير قابلة للحياة.

كثيرًا ما يتساءل الناس لماذا كان من المستحيل وضع جينوم اصطناعي داخل خلية الفرد؟ لأن البروتينات المميزة لها ظلت داخل هذه الخلية، مما يعني أن نتائج التجربة يمكن تفسيرها بوجودها. أي أنه سيكون هناك عدم يقين في تفسير النتيجة.

لماذا هناك حاجة للبكتيريا الاصطناعية؟

ردود الفعل على البحث في المجتمع العلمي مختلطة. يعتقد الكثيرون أنه من السابق لأوانه الحديث عن التطبيق العملي للتكنولوجيا: فبرمجة البكتيريا بدائية النواة الخالية من الأسلحة النووية شيء، وإنشاء كروموسومات اصطناعية للخلايا النووية لحقيقيات النوى شيء آخر تمامًا، أي خلايا جميع النباتات، الحيوانات والبشر. عند تكييف التكنولوجيا مع الخلايا النووية، تنشأ أسئلة كثيرة: كيفية نقل الحمض النووي إلى النواة، وكيفية إنشاء وزرع المعلومات الوراثية غير النووية، وما إلى ذلك.

ومع ذلك، يرى فينتر أن الأبحاث التي تم إجراؤها مهمة للعلوم الأساسية، لأنها تفتح آفاقا جديدة في دراسة أصل الحياة وإيجاد إجابة لسؤال ما هي الجينات المسؤولة عن حياة وتكاثر الكائن الحي.

يبشر عمل فنتر بخلق كائنات حية ذات خصائص ووظائف محددة بالكامل. صحيح أن هذه مسألة مستقبل بعيد إلى حد ما. حتى الآن، تمكن العلماء "فقط" من تنفيذ برنامج وراثي موجود بالفعل في الطبيعة. لكن لا تزال آفاق علم الجينوم الاصطناعي هائلة. من المغري للغاية - من خلال تغيير البرنامج الوراثي حسب تقديرك، إنشاء مصانع بكتيريا اصطناعية قادرة على إنتاج الأدوية والبروتينات المغذية والوقود الحيوي وتنقية المياه من الملوثات وغير ذلك الكثير.

بعد النجاح في إنشاء أول كائن اصطناعي، ركز فريق فينتر وآخرون جهودهم على مشروع آخر يتبع منطقيًا هذا الإنجاز. نحن نتحدث عن إنشاء خلية تحتوي فقط على الجينات الضرورية لدعم الحياة في أبسط أشكالها، أي الجينوم "الحد الأدنى".

عنصر الحياة

تعريف الجينوم "الحد الأدنى" الذي يوفر كل شيء الوظائف الضروريةالتي تسمح لكائن وحيد الخلية بالوجود في بيئة معينة، ليست مسألة خاملة. وحل هذه المشكلة ضروري لفهم أصل الحياة على الأرض، والذي يتضمن دراسة مسارات التطور الجيني وآلية نشأة الجينومات في حد ذاتها. بالإضافة إلى ذلك، ستصبح الخلية "الحد الأدنى" هي الأساس لدراسة جميع الجينات الضرورية للحياة.

يتم العمل في هذا الاتجاه بشكل رئيسي مع بكتيريا جنس الميكوبلازما. جينومات الميكوبلازما، كما ذكرنا سابقًا، صغيرة جدًا (من 580 إلى 1400 ألف زوج أساسي) وتمت دراستها جيدًا. أقصر جينوم هو جينوم الميكوبلازما التناسلية. ويبلغ طوله حوالي 580 ألف زوج أساسي تشكل 485 جينًا.

من خلال دراسة جينومات الميكوبلازما، اقترب كريج فينتر وزملاؤه من فهم الشكل "الحد الأدنى" للجينوم للميكروبات الاصطناعية في المستقبل. وكما هو مذكور في براءة الاختراع التي قدموها بالفعل، فإن الجينوم "الحد الأدنى" - لبنة البناء الأساسية، أو بشكل أكثر دقة، "الهيكل" الأساسي لإنشاء كائنات اصطناعية - يتكون من أقل من 400 جين. ومن خلال إدخال "الحد الأدنى" من الجينوم إلى الخلية وإضافة جينات أخرى إليها، يعتزم الباحثون إنشاء كائنات حية بسيطة ذات خصائص جديدة محددة سلفا.

صور من موقع معهد J. Craig Venter www.jcvi.org.

علم الجينوم - العلوم المعقدة، دراسة الجينومات. أقسام علم الجينوم: علم الجينوم الهيكلي – محتوى وتنظيم المعلومات الجينومية؛ الجينوم الوظيفي – تنفيذ المعلومات المسجلة في الجينوم من الجين إلى السمة؛ الجينوم المقارن– دراسات مقارنة لمحتوى وتنظيم جينومات الكائنات الحية المختلفة. تساهم جميع فروع علم الجينوم هذه في علم الأحياء الأساسي (تنمية الفرد، وتطوره)، والرعاية الصحية، والزراعة، والتكنولوجيا الحيوية. نتيجة علم الجينوم البنيوي هي الحصول على تسلسل النيوكليوتيدات (تسلسل من التسلسل الإنجليزي)، والذي يمثل بشكل كامل كل كروموسوم من النوكليوتيدات الأولى إلى الأخيرة. 2

من أجل الحصول على مثل هذا التسلسل، من الضروري اليوم تحديد تسلسل النيوكليوتيدات في أجزاء قصيرة إلى حد ما من الحمض النووي، يبلغ طولها حوالي 1000 موضع. هناك 3 مليارات موقع في الجينوم البشري، مما يعني أنه يجب تقسيمه إلى أجزاء يمكن "قراءتها". فأنت بحاجة إلى استعادة تسلسل نيوكليوتيد واحد من مقارنة مقاطع نص القراءة الفردية. يعتمد الاسترداد على مقارنة تسلسلات معينة وتحديد أقسام النص المتداخلة (المتطابقة) فيها. يجب أن يتجاوز طول منطقة التداخل طول التسلسل الذي يمكن أن يحدث في جينوم معين لأسباب عشوائية. على سبيل المثال، في الجينوم البشري هناك 3 × 109 نقطة أساس. قد يحدث تسلسل بطول 15 نيوكليوتيدات عن طريق الصدفة - نظرًا لأن كل موضع يمكن أن يحتوي على واحدة من أربع نيوكليوتيدات، فإن احتمال ظهور النيوكليوتيدات المعطاة في 15 موضعًا على التوالي هو 415 = 230، وهو ما يساوي تقريبًا 109. وهذا يعني أنه في قطعة بطول 109 مواضع، 15 نيوكليوتيد معين، يمكن أن يحدث التسلسل مرة واحدة لأسباب عشوائية. 3

لكن الحقيقة هي أن النيوكليوتيدات في الحمض النووي لا تتوضع بشكل عشوائي وهذه مشكلة في إعادة بناء التسلسل من الأجزاء المتداخلة. إذا تداخلت تسلسلان من 1000 نيوكليوتيدات مع 20 نيوكليوتيدات أو مائة، فهذا لا يعني شيئًا، حيث يمكن تكرار هذا الجزء بأكمله المكون من 1000 نيوكليوتيدات عدة مرات في الجينوم. لذلك، كان من الضروري أولاً ترتيب الأجزاء على طول الجينوم، وبعد ذلك فقط تحديد تداخلها بناءً على التسلسل. كان هذا هو طريق المجتمع العالمي عند تحديد تسلسل الجينوم البشري. (التسلسل في الأدب باللغة الروسية هو عملية تحديد تسلسل النيوكليوتيدات. هذا المصطلح هو أيضًا ورقة تتبع من الاسم الإنجليزي). كيف يمكن القيام بذلك؟ وكان لا بد من وضع بعض «العوامات» في الجينوم البشري، أي منطقة تقع خلفها. ويشكل تسلسل هذه المناطق خريطة الجينوم. وكانت أول خريطة من هذا النوع هي الخريطة الجينية. يظهر في الصورة على اليسار. 4

يوجد بالقرب كروموسوم ملون بخطوط عرضية مرئية. التلوين المستعرض فردي لكل كروموسوم؛ كل شريط له رقمه الخاص، والذي يمثل "عنوان" قسم معين على الكروموسوم. تحتوي كل منطقة على ملايين أزواج النيوكليوتيدات، والتي يجب تحديد تسلسلها. تم الحصول على علامات متعددة الأشكال، أي أنه تم العثور على مناطق من الكروموسوم تحتوي في أشخاص مختلفين (أو على كروموسومات مختلفة لنفس الشخص) على تسلسلات نيوكليوتيدات غير متطابقة. لاحظ أنه بالنسبة للخريطة الجينية ذات الفاصل الزمني لإعادة التركيب 10%، هناك حاجة إلى 300 علامة متساوية البعد لتمييز كروموسوم عن الآخر في موضع معين. 5

يعتمد اكتشاف علامات الحمض النووي على طريقة تضخيم (استنساخ) شظايا الحمض النووي في المختبر بدقة النوكليوتيدات باستخدام تفاعل البلمرة المتسلسل (PCR). باستخدام طريقة PCR، يمكنك تجميع جزء من الحمض النووي في المختبر (في أنبوب اختبار) والحصول عليه كمادة نقية كيميائيا. للتوليف، يتم استخدام أجزاء قصيرة من الحمض النووي الاصطناعي تسمى البادئات (بذور التوليف). من نهاية 3' من التمهيدي، يبدأ تركيب جزء من الحمض النووي على طول شريط القالب، الذي يتصلب به (يلتصق من خلال التفاعل التكميلي بين النيوكليوتيدات في التمهيدي والقالب). في دورة واحدة من استكمال الحمض النووي، تم الحصول على 4 خيوط DNA من اثنين. في الدورة التالية، تم الحصول على 8 خيوط من 4، وما إلى ذلك. وتستغرق كل دورة عدة دقائق. أكثر من 30 دورة PCR، سوف تتضاعف القطعة المستهدفة 1 مليار مرة، مما يسمح بملاحظة القطعة (بعد تلطيخها). سيتم تقليل الوقت اللازم لكل خطوة PCR في المستقبل بمقدار 2-3 أوامر من حيث الحجم، بحيث تكتمل كل دورة في ثوانٍ. 6

للتمييز بين كروموسومات الأب والأم، تم استخدام ما يسمى بعلامات STR (تكرار ترادفي قصير)، والتي تتكون من روابط متطابقة، غالبًا ما يتكون الارتباط من زوج من نيوكليوتيدات CA. أي أنهم وجدوا أماكن في الجينوم تتكرر فيها هذه الروابط المتناثرة. لنفترض أنه في كروموسوم الأب، في جزء مكون من 100 زوج من النيوكليوتيدات، تم إدخال 20 رابطًا، وفي نفس المكان على كروموسوم الأم، تم إدخال 22 رابطًا. تم نشر جزء الحمض النووي هذا في المختبر، بدقة النيوكليوتيدات باستخدام تفاعل البوليميراز المتسلسل (PCR). سيكون طول هذه الأجزاء 100+20x2=140 للأب، و100+22x2=144 للأم. من خلال تجزئة الأجزاء المتكونة في مادة هلامية تحت تأثير التيار المباشر (الرحلان الكهربائي)، يمكننا فصل الأجزاء حسب الحجم. كلما كان الجزء أثقل، انخفضت حركته الكهربية وأصبح أقرب إلى البداية. إذا كان لدى والدي الطفل أطوال مجزأة (كما هو موضح في المثال أعلاه) 140 و 144 نقطة أساس. ، فسيكون لدى الطفل أيضًا هذه الخطوط. 7

يتم استخدام النهج الموصوف ليس فقط في البحوث الأساسية، ولكن أيضًا في ممارسة تحديد الهوية الشخصية أثناء الفحص الطبي الشرعي. لنفترض أن موضعًا معينًا على الكروموسوم يمكن أن يكون في إحدى الحالات العشر البديلة. (تتميز هذه الحالات، الأليلات، بحركتها الكهربية). وتتميز هذه الحالات بوجود 10 كروموسومات أو الأشخاص الذين لديهم مثل هذه الكروموسومات. إذا أخذنا في التحليل موضعًا آخر (على كروموسوم مختلف) بنفس الخصائص، فمن خلال هذا الموضع سنميز أيضًا 10 كروموسومات أو أشخاص. وبناءً على مجموعة الحالات في هذين الموقعين، يمكن تمييز 10 × 10 = 102 كروموسوم. خمسة من هذه المواقع سوف تميز 105 كروموسومات. وبما أن كل واحد منا لديه زوج من الكروموسومات، فإن مجموعات أليلات هذه المواقع الخمسة تعطي 105 × 105 = 1010 خيارات. وهذا العدد من الخيارات أكبر من عدد سكان الأرض. في الممارسة العملية، يستخدم تحديد الهوية مجموعة من الأليلات المكونة من 13 موضعًا، على الرغم من أن خمسة، كما نرى، قد تكون كافية للموجة. كانت الخريطة الجينية هي أول خريطة للجينوم البشري، والتي تم بناء عليها أعمال رسم الخرائط اللاحقة. كانت هذه الخريطة مرتبطة بخريطة مادية توضح تسلسل أجزاء الحمض النووي المستنسخة على طول الجينوم (انظر الشكل 1، على اليمين). 8

غالبًا ما يتم تمثيل الخرائط الفيزيائية للجينوم بمجموعات من أجزاء الحمض النووي المستنسخة في جزيئات متجهة (الحمض النووي المؤتلف) مرتبة بطريقة منظمة بالنسبة لبعضها البعض. تسمى هذه المجموعة من شظايا الحمض النووي المتداخلة باستمرار contig. ومن أجل تحديد التداخل بين شظايا الحمض النووي المستنسخة، كانت هناك حاجة إلى خريطة محددة مسبقًا للعلامات الجينية. تم إنشاء التداخل بين جزيئات الحمض النووي "الكبيرة" التي تحتوي على ما يقرب من 106 زوجًا أساسيًا تم استنساخها في كروموسومات الخميرة الاصطناعية (استنساخ YAC، وهو اختصار لكروموسوم الخميرة الاصطناعي). اصطناعية لأنها أزالت الجزء الأكبر من الحمض النووي للخميرة الفعلي وأدخلت أجزاء من الحمض النووي البشري. مثل هذه التركيبات قادرة على التكاثر في خلايا الخميرة. يبلغ حجم كروموسومات الخميرة حوالي 1-2 مليون زوج قاعدي. كيف تم تحديد التداخل بين شظايا الحمض النووي المستنسخة؟ لدينا استنساخ YAC رقم 1 مع جزء ممتد من الحمض النووي المستنسخ، ولنفترض أنه تم العثور على كل من العلامة A والعلامة B، والتي يُعرف من البيانات الجينية أنهما متجاورتان على الخريطة. في استنساخ YAC رقم 2، لم يعد هناك علامة A، ولكن هناك علامات B وC، ومن المعروف أيضًا من الخريطة الجينية أن B وC متجاورتان. يحتوي الاستنساخ رقم 3 على العلامات C وD. وتبين مقارنة البيانات حول وجود العلامات الجينية A وB وC وD في مستنسخات YAC أنها تتداخل في تسلسل YAC رقم 1 ورقم 2 ورقم 3. 9

إن إدخالات الحمض النووي من 3000 نسخة من YAC تساوي تقريبًا طول الجينوم البشري. في تحليل تداخل عمود YAC، تم أخذ 30000 نسخة بحيث تتداخل كل نقطة في الجينوم مع عدة نسخ. في البداية لم يكن معروفًا كيفية تحديد موقعها، ولكن في المتوسط، تداخلت كل نقطة في الجينوم 10 مرات. تم استخدام حوالي 3000 علامة STR، ونظروا في كيفية تداخل هذه العلامات والمستنسخات مع بعضها البعض. تم استخدام PCR كوسيلة للكشف عن وجود علامة وراثية في الحيوانات المستنسخة YAC. في المرحلة النهائية من تجميع الخريطة الفيزيائية للجينوم البشري، تم الكشف عن وجود ما يقرب من 30.000 علامة في 30.000 نسخة من YAC. هذه علامة واحدة لكل 100000 زوج أساسي. كانت المسافة بين نهايات استنساخ YAC أيضًا 100000 نقطة أساس. (مع طول استنساخ 1 مليون سنة مضت). تم إجراء رسم الخرائط على الأجهزة الآلية التي أجرت ما يقرب من 300000 تفاعل PCR يوميًا. السماح بترتيب جميع نسخ YAC في contig. كان من المفترض أن يتم تسلسلهم مباشرة. ومع ذلك، في وقت لاحق تم استخدام نظام تسلسل استنساخ مختلف. غالبًا ما يتم استخدام نسخ YAC المعينة للبحث عن الجينات الموجودة في إدراج YAC، لكن هذه الخطوة لم تؤد إلى التسلسل. 10

يمكن أيضًا رؤية التداخل من خلال موقع مواقع تقييد محددة. دعونا نفكر في هذه الطريقة بمزيد من التفصيل. يتم تحديد بنية جزء الحمض النووي من خلال موضع مواقع الانقسام مع إنزيمات محددة - نوكليازات التقييد (إنزيمات التقييد). يتعرف كل إنزيم تقييد على تسلسل النيوكليوتيدات بطول وتركيب معين. على سبيل المثال، تقييد إنزيم إيكو. يتعرف RI على GAATTC وليس غيره (سوف يلتصق الحمض النووي في المتوسط مرة واحدة لكل 46 = 4096 نيوكليوتيدات)، بام. تتعرف HI على GGATTC. لنفترض أن لدينا جزءًا من الحمض النووي المستنسخ يبلغ طوله 13000 نيوكليوتيدات وقمنا بهضمه باستخدام إنزيم تقييد بام. مرحبًا، الحصول على شظيتين من 9 و 4 آلاف نيوكليوتيدات. ثم إذا قمنا بتقسيم ايكو. RI، نحصل على أجزاء من 8 و 3 و 2 كيلو بايت. عندما ننظر إلى الانقسام المزدوج، نحصل على أجزاء بأحجام 7، 3، 2، 1 كيلو بايت. تُعرف الأحجام بسبب وجود مسار قريب يقوم بتجزئة الجزيئات ذات الحجم القياسي، مما يسمح بإنشاء منحنى المعايرة. إذا أجرينا تقسيمًا ثانيًا، فسنرى أن الجزء الذي يبلغ حجمه 9 كيلو بايت قد انقسم إلى أجزاء بحجم 7 و2 كيلو بايت. هذا التسلسل المحدد للمواقع والمسافة المحددة بينها هو صورة للجزيء (انظر الشكل أدناه). ومن خلال هذه الصور، يمكننا مطابقة الجزيئات مع بعضها البعض، بغض النظر عما تقوم بتشفيره أو ما تحتويه. هذا إجراء نموذجي للغاية. انقسام جزء من الحمض النووي مع كل إنزيم تقييد على حدة ومع خليط منهم يسمح للمرء بإنشاء خريطة تقييد للجزء. 12

لذلك، قمنا بترتيب الجزيئات باستخدام الخرائط الجينية والفيزيائية. دعنا نعود إلى طريقة التسلسل. تم استخدام خليط من ديديوكسينوكليوتيدات - dd -. NTP (في الصورة على اليمين؛ ليس لديهم مجموعة OH عند الكربون 3') والتي تمت إضافتها إلى ديوكسينوكليوتيدات عادية (في الصورة على اليسار). وأثناء تخليق الحمض النووي في المختبر، أدى ذلك إلى توقف تخليق الشريط في الموضع الذي تم فيه إدخال dd. نتب. الموضع 3' هو المكان الذي تتم فيه إضافة النوكليوتيدات إلى جزيء الحمض النووي قيد الإنشاء. ولكن إذا لم يكن هناك مجموعة هيدروكسيل في الطرف 3`، ولكن الهيدروجين، فلن يذهب التوليف إلى أبعد من ذلك - سيتم إنهاؤه. يستخدم هذا على النحو التالي. لدينا مصفوفة (شريط من الحمض النووي) تحتاج إلى تسلسلها. إذا كان التركيب قيد التقدم، وكان A في الموضع الأول للمصفوفة (انظر الشكل أدناه)، فيمكن بناء T المعتاد وسيستمر التركيب أكثر، أو يمكن بناء dd. لن يذهب TTP والتوليف إلى أبعد من ذلك. سوف تنكسر السلسلة، وسيحتل النواة المركبة الناتجة موقعًا معينًا أثناء التجزئة وفقًا لحجمها. سوف يتوافق الفاصل التالي مع الحرف الثاني من السلسلة المتسلسلة، وسيأخذ موقعه أيضًا وفقًا للطول أثناء التجزئة على الرحلان الكهربائي، وما إلى ذلك. وهكذا بالنسبة لكل نيوكليوتيد. بهذه الطريقة سوف نقوم باستعادة تسلسل النيوكليوتيدات في شريط الحمض النووي الجاري تسلسله. تم اقتراح هذه الطريقة من قبل فريد سانجر، وحصل على جائزة نوبل الثانية له. 15

دعونا نفكر في تحديد تسلسل النيوكليوتيدات في جزء الحمض النووي المستنسخ. يتم احتواء الجزء المستنسخ في ما يسمى بجزيء الحمض النووي المتجه، وهو جزيء يسمح بإدخاله إلى الخلية (عادةً خلية بكتيرية، ولكن في بعض الأحيان يتم استخدام خلايا الخميرة أيضًا). تم تنفيذ جميع الأعمال المتعلقة بتسلسل الجينوم البشري بمشاركة جزيئات المتجهات البكتيرية. تحتوي المنطقة المتجهة المتاخمة للإدراج على تسلسل نيوكليوتيدات مكمل للتسلسل التمهيدي العالمي. يبدأ هذا التمهيدي تخليق الحمض النووي في المختبر، والذي سيبدأ من النيوكليوتيدات الأولى على طول قالب جزء الحمض النووي البشري المستنسخ. يتم استخدام اثنين من البادئات العامة، أحدهما لتسلسل المتجهات المتاخم لأحد طرفي الإدخال، والآخر لتسلسل المتجهات المجاور للطرف الآخر من الإدخال. باستخدام أحد البادئات، يتم تسلسل الجزء المستنسخ على جانب واحد، ومع البادئ الآخر على الجانب الآخر. 18

لدينا نفس المتجه، وهناك الملايين من الإدخالات، ولكن تم تسلسلها جميعًا من نفس زوج البادئات. تم تسلسل الجزء الأكبر من الجينوم عن طريق استنساخ أجزاء من ألفي زوج قاعدي، لأن ألف يقرأ على جانب واحد وألف على الجانب الآخر. تم تسلسل كل نقطة من الجينوم البشري عدة عشرات من المرات كجزء من جزيئات الحمض النووي المستنسخة المختلفة. أي أن المسافة في الجينوم بين نهايات شظايا الحمض النووي المستنسخة والمتسلسلة كانت أقل من 200 زوج أساسي. تمت قراءة حوالي 1000 نيوكليوتيدات من كل نقطة بداية. ومن هذه المجموعة الكاملة من "النصوص" تم إعادة إنتاج بنية الجينوم البشري. ولكن كان من الممكن تجميع هذه التسلسلات المكونة من 1000 حرف في ملايين الحروف الطويلة فقط على أساس حقيقة أن معظمتم تعيين الأجزاء مسبقًا على الكروموسومات البشرية. بدون رسم الخرائط، يمكن أن ينتهي التسلسل في منطقة متكررة من الجينوم، واستمرار التسلسل من هذه المنطقة له العديد من متغيرات الاستمرارات مثل عدد مرات وجود التكرار في الجينوم البشري (بعض التكرارات عبارة عن مليون مرة). لذلك، تم تحديد تسلسل موقع الأجزاء المستنسخة في الجينوم لأول مرة. وقد تم ذلك لأجزاء يبلغ حجمها حوالي 200 ألف زوج أساسي، وعندها فقط تم تسلسلها. يمكن أتمتة عملية تسلسل سانجر. يتم عرض الآلية على الشريحة التالية. 19

تعرض الشريحة كتابًا تمهيديًا يبدأ منه التوليف إلى اليسار. لدينا فوسفات ديديوكسي نيوكليوتيد T وA وC وG. ويحتل كل منها موقعه الخاص في الجزء المُصنَّع على طول شريط القالب المدروس. في الشريحة السابقة، كان كل حرف يتوافق مع مسار جل منفصل، وهناك أربعة في المجموع. إذا تم تمييز كل حرف من الحروف النهائية باللون الخاص به، فيمكن دمج جميع النهايات في أنبوب اختبار واحد ويمكن تجزئة المنتجات في مسار واحد. سيؤدي إنهاء التوليف في موضع حرف معين إلى إعطاء جزء مع موضعه في الجل بعد التجزئة. سيتم تمييز كل موضع للفاصل بلون حرف الإنهاء الذي حدث عنده الكسر. أثناء تجزئة الأجزاء المنتهية، سوف يسجل الليزر القمم المتعاقبة على الكاشف - ما هو النطاق الذي مر عبر العد، وما هو لونه. يتم بعد ذلك فك تشفير تسلسل القمم هذا إلى تسلسل من النيوكليوتيدات في جزيء الحمض النووي. يتم تحديد دقة التسلسل (تحديد الحرف الذي أنهى التوليف في موضع معين) من خلال نسبة ارتفاعات قمم الحروف المقابلة حروف مختلفةفي نفس موضع الجزء المتسلسل. بين قمتين ألوان مختلفةفي أحد المواقف كانت هناك قيمة تمييزية محددة. تم تطوير هذه التقنية بحيث يتم اعتبار الحرف مثبتًا بشكل موثوق لموضع معين إذا كانت الذروة الرئيسية في هذا الموضع أعلى من الذروة الأخرى بعدد معين من المرات. 21

كانت بكتيريا المستدمية النزلية أول كائن حي حر يتم تسلسل جينومه بالكامل. نظرًا لأن الجينوم البكتيري صغير، حوالي ألف نيوكليوتيدات، وهناك عدد قليل من التكرارات (وهي قصيرة)، لم تكن هناك حاجة لرسم خرائط أولية لشظايا الحمض النووي المستنسخ - فقد تم تسلسل هذه الأجزاء على الفور. تم تنفيذ هذا العمل في معهد TIGR للأبحاث الوراثية تحت قيادة كريج فينتر. بعد ذلك، أنشأ فينتر شركة سيلير لتسلسل الجينوم البشري، حيث استخدم نفس مخطط التسلسل كما هو الحال مع البكتيريا. علاوة على ذلك، أخذ أموالا من الشركات الخاصة، لأن الدولة لم تصدق أنه سينجح. استخدم المجتمع العالمي سابقًا خريطة جينية وفيزيائية، تم على أساسها بناء سلسلة من الأجزاء المتداخلة من الحمض النووي المستنسخ (contig) المخصصة للتسلسل. أي أن تسلسل الجينوم البشري تم تجميعه من أجزاء، عادة من خلال استخدام مجموعة مرتبة من الحيوانات المستنسخة وإنشاء تسلسل النيوكليوتيدات من الحيوانات المستنسخة المعينة. 23

استخدم فينتر، على عكس المجتمع العالمي، مجموعة عشوائية من الحيوانات المستنسخة وحاول استعادة تسلسل النوكليوتيدات الكامل مباشرة من مقارنة تسلسلات كومة الأجزاء بأكملها. لقد نجح في القيام بذلك على البكتيريا، لكن الأمر نجح على البشر فقط لأنه استخدم البيانات المتاحة للجمهور من المجتمع العالمي حول الجزيئات الموجودة في الجينوم البشري. نشر فينتر عمله قبل شهر من نشر المجتمع العالمي، لأنه لم يرسم خريطة لأي شيء، ولكنه استخدم تسلسل الجزيئات المؤتلفة القصيرة جدًا. كان الطول الإجمالي لأجزاء الحمض النووي المتسلسلة لفنتر أكبر بخمس مرات من طول المجتمع العالمي بأكمله. باستخدام بيانات المجتمع العالمي حول الأجزاء المعينة، تمكن فنتر من إعادة بناء كل شيء قام بتسلسله في تسلسل نيوكليوتيد واحد. إذا لم تكن هناك بيانات من المجتمع العالمي، فسيتم تقديم جميع أعماله في أجزاء قصيرة تتفرع بسبب وجود تكرارات في الجينوم. ونتيجة للعمل المنجز، تم نشر مقالتين: مقال بقلم فنتر في مجلة ساينس ومقال بقلم لاندر، زعيم المجتمع العالمي، في مجلة نيتشر. 26

بدأ مشروع الجينوم البشري في عام 1990. وتم الانتهاء من النسخة (المسودة) الأولى من تسلسل النيوكليوتيدات في عام 2000. وتم الانتهاء من النسخة النهائية، التي لن يتم تحسينها بعد الآن (وتسمى Build 35)، في عام 2004.27

تحتوي النسخة الأخيرة من التسلسل على 2.85 مليار زوج أساسي مع 341 فجوة، أي أنه لسبب ما لا يمكن تسلسل الحمض النووي الجينومي في هذه الأماكن. يغطي التسلسل حوالي 99٪ من ذلك الجزء من الجينوم البشري الذي يتم تقديمه في شكل غير مضغوط - الكروماتين الحقيقي. دقة التسلسل في النسخة النهائية هي خطأ واحد لكل 100 ألف موضع على التوالي. لن يتمكن أحد من تسلسل الجينوم بأكمله بشكل أكثر دقة. دعني أذكرك أن جينوم والدك يختلف عن جينوم والدتك بحوالي موضع واحد في الألف. ويبلغ العدد المتوقع للجينات في البشر الآن 2025 ألفًا، وهو أقل بقليل مما كان متوقعًا سابقًا. 28

بالإضافة إلى البيانات المتعلقة بتسلسل النيوكليوتيدات للحمض النووي الجينومي البشري (التسلسل المرجعي)، تم أيضًا إنشاء قواعد بيانات: 1) حول تسلسل النيوكليوتيدات لأقسام الحمض النووي المكتوبة (قاعدة بيانات EST، EST = علامات التسلسل المعبر عنها)، والتي لا تميز الحمض النووي الجينومي، ولكن ما تم نسخه من الحمض النووي. 2) حول موضع ومحتوى الاختلافات (تعدد الأشكال، أي بدائل النوكليوتيدات) لتسلسلات الحمض النووي البشرية المعروفة الأخرى من التسلسل المرجعي (قاعدة بيانات SNP، SNP = تعدد أشكال النوكليوتيدات المفردة) 29

علم الجينوم هو مجال علمي ظهر مؤخرًا، والهدف من دراسته هو جينومات جميع الكائنات الحية، وليس البشر فقط. أحد مجالات علم الجينوم هو إعادة بناء خريطة مختصرة للمسارات الأيضية للكائنات الحية، تتكون من خرائط أيضية خاصة مميزة لكل كائن حي. إن تحديد مجموعات معينة من الجينات للوظائف الأيضية في الجينومات المختلفة يشير إلى وجود علاقة وظيفية بين جينات هذه المجموعة في قسم واحد من السلسلة الأيضية. على وجه الخصوص، أحد الأساليب هو هذا. تتم دراسة عدد من الأنواع (الصورة أدناه)، على سبيل المثال البكتيريا. الأنواع الثلاثة الأولى لديها جينات للبروتينات 1 و3 و6. وبعضها لديه البروتينات المتبقية وبعضها لا. هذه المجموعة من الجينات (1، 3، 6) غائبة في النوع الرابع. هذا النوع من حضور وغياب مجموعة كاملة من الجينات يسمح لنا بافتراض أن البروتينات التي تشفرها مرتبطة بطريقة ما في الدورة الأيضية. لا توجد جينات مثل هذه المجموعة بالضرورة في مكان قريب في الجينوم. 30

معيار آخر للارتباط الوظيفي بين الجينات، والذي يعمل بشكل جيد بشكل خاص في البكتيريا، يعتمد على الحفاظ على قرب نفس الجينات (بالتسلسل) في أنواع مختلفة من البكتيريا. في البكتيريا، ليس من غير المألوف أن تكون مجموعة الجينات الموجودة معًا مسؤولة عن مجموعة من الخطوات الأيضية المتسلسلة. يتم تنظيم مثل هذه المجموعة من الجينات على مستوى النسخ بطريقة موحدة وتسمى الأوبون (وحدة التشغيل). غالبًا ما يتزامن تسلسل الجينات في الأوبون مع تسلسل الخطوات الأيضية. بالنسبة لحقيقيات النوى، فإن الموقع المجاور للجينات المرتبطة وظيفيًا ليس نموذجيًا، على الرغم من أن هذه الجينات منتشرة في جميع أنحاء الجينوم، إلا أن تنظيم النسخ المنسق موجود أيضًا في حقيقيات النوى.

حتى الآن، تم تسلسل عدة مئات من الجينومات البكتيرية وجينومات العديد من حقيقيات النوى. الآن نحن نعلم أن حجم الجينوم في البكتيريا لا يقل أبدًا عن 0.5 مليون زوج قاعدي، ويبلغ الحد الأقصى لحجم الجينوم حوالي 10 ملايين زوج قاعدة. - في الخميرة (كائن حقيقي النواة) - حوالي 12 مليونًا - في الدودة الخيطية - 97 مليونًا - وفي البشر - 3 مليارات زوج من النوكليوتيدات. - ويختلف عدد الجينات في الكائنات المؤيدة وحقيقيات النوى بعدد أقل من المرات. الحد الأدنى لعدد الجينات في بكتيريا الميكوبلازما هو 470، في الخميرة - 6000، في الديدان الخيطية - 19000، وفي الشخص حوالي 20000، أي أننا لا نختلف كثيرًا عن الديدان الخيطية والذبابة في عدد الجينات. تبلغ كمية الحمض النووي الكروموسومي لكل جين 1000 نقطة أساس في البكتيريا. أي أن الجينات معبأة بإحكام شديد؛ - في الخميرة – 2000 ب. وفي بعض الأماكن يتم فصل الجينات ببعض المساحة؛ - في الديدان الخيطية – 5000 سنة مضت. على الجين وتظهر المساحات داخل الجينات - الإنترونات؛ في البشر - 30000 سنة مضت. - يوجد في جينومنا مساحات كبيرة بين الجينات ومساحات كبيرة داخل الجينات لا تتحول إلى RNA ناضج. 33

لاحظ أن كل هذه الكائنات لا تختلف كثيرًا في حجم النصوص الناضجة. في الحمض النووي الريبي الناضج، عادةً ما تحتل منطقة ترميز البروتين الجزء الرئيسي من التسلسل. تقوم بعض الجينات بتشفير الحمض النووي الريبوزي (RNA) الذي لا يتم تصنيع البروتين به على الإطلاق. قبل تسلسل ترميز البروتين في الرنا المرسال الناضج توجد مناطق تنظيم الترجمة، وبعد تسلسل ترميز البروتين هناك مناطق تحدد الاستقرار (عمر الرنا). في بدائيات النوى، تكون التسلسلات قبل وبعد جزء ترميز البروتين أقصر بكثير منها في حقيقيات النوى. لذلك، من حيث حجم الحمض النووي الريبوزي (RNA)، فإن جميع الكائنات الحية أقرب منها من حيث حجم الجينات، ومن حيث حجم البروتينات، فهي أقرب. 34

لقد قاموا "بإيقاف" كل جين في العديد من البكتيريا تجريبيًا وبحثوا فيما إذا كانت ستعيش في ظل هذه الظروف أم لا. اتضح أنه في البكتيريا يمكنك "إيقاف" (واحدًا تلو الآخر) حوالي 50٪ من الجينات، وستظل على قيد الحياة. في الخميرة، يمكنك إيقاف 80% من الجينات وستظل حية. كيف تم إثبات ذلك تجريبيا؟ يتم إدخال جزء من الحمض النووي المراسل في جينوم الخلية، مما يجعل من الممكن قياس معدل النسخ والترجمة عند نقطة إدخال الجزء. ولذلك فمن المعروف أن كلا من النسخ والترجمة للجين المراسل من خلال هذه النقطةفي ظل هذه الظروف، يحدث من العناصر التنظيمية للجين الذي تم تعطيله عن طريق إدخال المراسل، على الرغم من أن الجين المعطل نفسه لا يعمل. وهكذا، تم "قتل" 80% من جينات الخميرة واحدًا تلو الآخر، ورأوا أن خلية الخميرة لا تزال على قيد الحياة. 35

في الديدان الخيطية، تم الحصول على عشرات الآلاف من الطفرات لعشرين ألف جين، والتي تؤثر على ما يبدو على حوالي 2000 جين (ما يسمى بالمجموعات التكميلية). وهذا يمثل حوالي 10٪ من جميع جينات الديدان الخيطية. أي أنه إذا قمت "بإيقاف" حوالي 90% من الجينات، فستستمر الخلية في العيش. في البشر، من بين 20000 جين، 1700 فقط (أقل من 10٪) لديهم طفرات معروفة مرتبطة بالأمراض الموروثة وفقًا لمندل باعتبارها سمة أحادية المنشأ. 36

وفي هذا الصدد، من الواضح أن عدد الجينات التي ستؤدي الطفرات فيها إلى أمراض بشرية (على الأقل قاتلة) لن يرتفع بشكل كبير مقارنة بما هو معروف حتى الآن. قاعدة بيانات OMIM (الوراثة المندلية في الإنسان عبر الإنترنت) متاحة الآن على الإنترنت للجينات التي تؤدي طفراتها إلى أمراض وتظهر على أنها سمات مندلية. لا يتم نسخ جميع أجزاء الجينوم. وفي هذا الصدد، نشأ السؤال عن التحديد التجريبي لمكان وكم عدد الجينات الموجودة في الجينوم. الجين الواحد هو جزء من الحمض النووي يتوافق مع نسخة واحدة مكونة من هذا القسم. عندما يتم نسخ جزء من الحمض النووي، يتم الحصول على ما يسمى بـ pre-m. RNA، الذي يحتوي على كل من الإكسونات (المقاطع التي تتحول بعد ذلك إلى m.RNA الناضج) والإنترونات (تسلسلات الإدراج التي تتم إزالتها من m.RNA). تتم إزالة الإنترونات من مرحلة ما قبل م. الحمض النووي الريبي (RNA) من خلال عملية تسمى الربط. المناطق الناتجة من ما قبل م. يتم ربط RNAs، التي تسمى الإكسونات، معًا لتشكل شريطًا واحدًا. ويسمى mRNA الناضج. (بعض جزيئات RNA لا تشفر للبروتين. وتسمية مثل هذه الـ RNAs القالبية RNAs، أي RNAs، غير صحيحة من الناحية المصطلحية، على الرغم من أنها تتوافق مع الجينات ولها وظائف خاصة بها.) 38

يتم استخدام mRNA الناضج كمادة للدراسات التجريبية لوجود الجين في الجينوم، وموقعه وبنية الإنترون-إكسون. أداة مثل هذا البحث هي الرقائق البيولوجية. أول براءة اختراع للرقائق الدقيقة تعود لفريق بقيادة أندريه داريفيتش ميرزابيكوف، الذي كان مديرا للمعهد البيولوجيا الجزيئية RAS ورئيس أحد أقسام FMBF MIPT. واقترح تثبيت أجزاء الحمض النووي الاصطناعية على مصفوفات صلبة وتهجين هذه المصفوفة مع عينة الحمض النووي التي تتم دراستها - DNA أو RNA. كيف يمكن التحقق مما إذا كان الجين موجودًا بالفعل، أي ما إذا كان جزء معين من الحمض النووي قد تم نسخه؟ للقيام بذلك، يتم تمثيل الجين على الرقاقة كجزء من تسلسله - وهو قليل النوكليوتيد، الذي يتم تثبيته في صفيحة ميكروية بإحداثيات معينة على هذه المصفوفة. يتوافق قليل النوكليوتيد هذا مع جزء من الإكسون الذي تنبأ به الكمبيوتر استنادًا إلى تسلسل الحمض النووي الجينومي. لمعرفة ما إذا كان الجينوم في منطقة معينة قد تم نسخه بالفعل، يتم أخذ خلية وعزل الحمض النووي الريبي (RNA) الكلي عنها. ومن كل جزيئات الحمض النووي الريبوزي (RNA) هذه، يتم الحصول على نسخ الحمض النووي (DNA)، والتي يتم تمييزها بالفلورسنت وتهجينها مع أليغنوكليوتيدات مثبتة على الرقاقة الدقيقة. إذا كانت بعض المواقع التي تحتوي على أليغنوكليوتيدات، في ظل هذه الظروف، "صامتة" (تظهر باللون الأسود)، فهذا يعني أنه لم يتم نسخ جزء من التسلسل الجينومي المكمل لهذا قليل النوكليوتيد. إذا "أضاءت" منطقة المصفوفة، فهذا يعني أن أليغنوكليوتيدات في هذه المنطقة قد تم تهجينها مع منتج يحمل علامة الفلورسنت، أي أن الجزء المقابل من الجينوم قد تم نسخه وهو بالفعل جزء من بعض الجينات.

في تجربة حقيقية، جميع المناطق في المصفوفة "تتوهج" بدرجة أو بأخرى. لذلك، دون المقارنة مع بعض المعايير، من المستحيل تحديد سبب ظهور الإشارة في منطقة معينة من الشريحة. لتحديد ما إذا كانت النتيجة التي تم الحصول عليها خطأ تجريبي أم لا، يتم إجراء مقارنة بين كائنين. للقيام بذلك، يتم أخذ خلايا معينة A، ويتم الحصول على الحمض النووي الريبي (RNA) منها، ويتم تمييزها بشكل فلورسنتي (باللون الأحمر على الشريحة). وينطبق الشيء نفسه على الخلايا B، ولكن يتم تمييز الحمض النووي الريبي (RNA) بلون مختلف (الأخضر). ثم يتم تهجين الرقاقة بمزيج من هذين المستحضرين من الحمض النووي الريبي (RNA). إذا تبين أن الإشارة في منطقة معينة على الشريحة حمراء، فإن نسخ هذا الجين في الخلايا "أ" يكون أقوى منه في الخلايا "ب". إذا كانت الإشارة خضراء، فإن النسخ يكون أقوى في الخلايا "ب". كمية متساوية من الأحمر والأخضر، فإن النتيجة ستكون أصفر. وبالتالي، يصبح من الممكن مقارنة مستوى النسخ لجين معين في خلايا مختلفة- B، C، D، وما إلى ذلك، وتطبيعه إلى مستوى نسخ هذا الجين في الخلايا A. وفي الوقت نفسه، تتم مقارنة نسخ الجينات في الأنسجة المختلفة، ويتم التعبير عن الجينات بشكل مختلف فيها. يمكنك مقارنة ورم ورم طبيعي، ثم يتم تحديد تلك الجينات التي يتم نسخها على وجه التحديد بقوة أكبر في الورم أو في الحالة الطبيعية. يمكنك إلقاء نظرة على مراحل مختلفة من التطور، وكيفية عمل الجينات في التطور الجنيني وفي مرحلة البلوغ. وبالتالي، فإن التهجين على المصفوفات الدقيقة يجعل من الممكن معرفة الجينات الموجودة في الجينوم التي يتم نسخها في ظل ظروف معينة، وهذه هي بالضبط الطريقة التي تظهر بها حياته. 41

يتيح التهجين على المصفوفات الدقيقة اختبار تنبؤات الكمبيوتر بذلك هذه القطعةالجينوم هو إكسون (منطقة متبقية في الرنا المرسال الناضج) ويتم نسخه بالفعل. ليس من الضروري أن يتم التعبير عن كل جين في جميع الأنسجة وتحت جميع الظروف. ولذلك، يجب فحص العديد من الحالات والأنسجة لتحديد جميع مناطق الجينوم المقابلة للإكسونات. على الشريحة، يتوافق كل تهجين على شريحة معينة مع نوع واحد من الأنسجة أو ظروف عملها. يشار إلى عدد الإكسونات في كل كروموسوم الذي تم تأكيد وجوده تجريبيا باللون الأحمر. تحتوي كل شريحة على 1,090,408 منصات مسبار قليل النوكليوتيد تتوافق مع كل من الـ 442,785 إكسونًا بشريًا تم التنبؤ به بواسطة الكمبيوتر. تتوافق أليغنوكليوتيدات الموجودة في الوسادات مع كل من شريط الحمض النووي المنقول والشريط التكميلي. في الجينوم البشري، يعد نسخ خيوط الحمض النووي التكميلية سمة مميزة لجزء صغير من الجينات. تتداخل هذه الجينات وربما يتم تنظيمها بشكل متبادل على المستوى النسخي. في البكتيريا، يكون تداخل الجينات أكثر شيوعًا منه في حقيقيات النوى. 43

يمكن استخدام المصفوفات الدقيقة لدراسة التغيرات في مستوى نسخ الجينات المرتبطة ببداية المرض أو تطوره (على سبيل المثال، الورم أو العدوى). من المفترض أن كل مرض يتميز بالرمز الشريطي الخاص به - وهو تغيير في مستوى نسخ مجموعة الجينات المميزة لهذا المرض بالذات. هذا التحليل مهم جدًا لتحسين التشخيص الوظيفي في الطب. 45

لقد أجرينا مثل هذه التجربة. تم أخذ عينات الحمض النووي الريبي (RNA) من الأورام في مجموعتين من المرضى. كانت هناك نقائل في مجموعة واحدة وليس في المجموعة الأخرى. الانبثاث هو ظهور بؤر ورم جديدة في الجسم، منفصلة مكانيا عن البؤر الأصلية. يوجد على هذه الشريحة حدود حادة إلى حد ما بين مجموعات المناطق الخضراء والحمراء. أي أن الجينات مرئية، والتغيرات في مستوى التعبير هي سمة من سمات مرحلة ورم خبيث في الورم، والتي يمكن استخدامها لتشخيص هذه المرحلة. حتى الآن لم يتم تطوير طريقة التشخيص هذه. ومن المفترض أنه في المستقبل، من خلال تغييرات الباركود في التعبير في مجموعة معينة من الجينات، سيكون من الممكن تشخيص أمراض معينة ومراحل تطورها، وبالتالي معرفة كيفية علاجها. 46

دعونا نفعل ذلك تراجع صغير. تم إنشاء الخرائط الجينية للعديد من الأنواع. في الأنواع ذات الخرائط الجينية التفصيلية، يتم إجراء بحث تجريبي عن الطفرات المرتبطة بالتغيرات المورفولوجية المسجلة. تُظهر الشريحة رسمًا تخطيطيًا لمثل هذا العمل على الأسماك. أولا، يتم تنفيذ الطفرات. بعد ذلك يتم الحصول على الجيل الأول من الهجينة. يتم استخدامها للتهجين العكسي مع الآباء المتحورين. إذا اتضح أنه تم اكتشاف بعض السمات، فإنهم ينظرون إلى العلامات الجينية التي تم توريثها معها. وبهذه الطريقة، يتم فحص الجينات التي تضررت بسبب الطفرات المكتشفة ظاهريًا. 48

لتلخيص ما سبق، يمكن تحديد الجينات (الطفرات) التي تحدد السمات المورفولوجية أو الكيميائية الحيوية بعد الطفرات على مستوى الجينوم (على سبيل المثال، EMS) والفحص الجيني. وللقيام بذلك، يتم إجراء تحليل الوراثة المشتركة للأليل المدروس مع علامات الحمض النووي متعددة الأشكال، بحيث يغطي الجينوم بأكمله بتسلسل معروف، وتكون المسافة بينهما صغيرة بما يكفي لتصنيف الأليل المدروس كأحد الفترات. للخريطة الجينية. 49

توضح هذه الشريحة أن هناك بكتيريا يمكن أن تحتوي على جينات أكثر من الخميرة على سبيل المثال. لقد اعتدنا على الاعتقاد بأن البكتيريا أبسط، ولكن هذا ليس هو الحال دائمًا. هناك بكتيريا تحتوي على حوالي 10 آلاف جين. 50

تسلط هذه الشريحة الضوء على أنه على الرغم من اختلاف عدد الجينات بين الأنواع، إلا أن عدد ما يسمى بنطاقات البروتين ( الوحدات الهيكليةفي البروتين المسؤول عن وظيفة واحدة) تختلف داخل ممالك الحياة المختلفة (بدائيات النوى وحقيقيات النوى) بما يصل إلى مرة ونصف، لا أكثر. وبطبيعة الحال، مجموعات هذه المجالات مختلفة، ولكن المجالات نفسها متشابهة، أي أنها مشفرة بواسطة مناطق الجينوم المتشابهة في تسلسل النيوكليوتيدات، وهذه المناطق المتشابهة لها أصل مشترك في التطور. البيان العكسي سيكون غير صحيح. فقط لأن وظائف البروتينات متشابهة لا يعني أن بنيتها ستكون هي نفسها. نفس الوظيفة، على سبيل المثال، نفس العملية التحفيزية، يمكن أن تؤديها بروتينات مختلفة ليست ذات صلة في الأصل. يمكن أيضًا تحفيز نفس العملية بواسطة البروتين 52 والحمض النووي الريبوزي (الريبوزيم)، اللذين لا يوجد بينهما أي شيء مشترك في الأصل.

توضح هذه الشريحة متوسط قيم خصائص العناصر المختلفة للجينات البشرية. حجم متوسطإكسون - 145 نيوكليوتيدات، إنترون - 3365، وما إلى ذلك. في المجموع، اتضح أن جزء ترميز البروتين من الجين صغير مقارنة بالجزء غير المشفر للبروتين، لذلك عند حدوث أي طفرات، هناك احتمال كبير أن الجزء غير المشفر للبروتين سوف يتحور. مثل هذه الطفرات إما لن تؤثر على بنية البروتين على الإطلاق، أو ستؤدي إلى تغييرات في كميته، ولكن ليس في بنيته (تغيرات في المواقع التنظيمية لبدء النسخ أو استقرار الحمض النووي الريبي)، أو ستؤدي إلى تغييرات جذرية في بنية الحمض النووي الريبي (الطفرات في ربط الأهداف). 53

توزيع الجينات البشرية حسب الحجم الحجم ألف زوج قاعدي 500% من العدد الإجمالي 23، 3 35، 6 20، 2 13، 0 6، 7 1، 2 54

الهيكل العامالجينوم هو كما يلي (حجم الجينوم البشري 3200 ميجا بايت) الجينات تشغل 1200 ميجا بايت فقط. يتكون الجزء الأكبر من هذا الفضاء من جينات كاذبة (جينات غير وظيفية معطلة بسبب الطفرات)، وشظايا جينية مختلفة وإنترونات. تمثل إكسونات الجينات الوظيفية (الطول الإجمالي للحمض النووي الريبي الناضج) 48 ميجا بايت. هناك بعض المكر هنا، لأنه لمرحلة ما قبل المدرسة. في المتوسط هناك 1.4 RNA ناضج. ومن الممكن في بعض الحالات الحصول على ما يصل إلى ألف بروتين من mRNA الناضج. يحتل الحمض النووي الجيني 2000 ميجابايت، ويتم تمثيله بشكل رئيسي من خلال تسلسلات متكررة قصيرة منتشرة في جميع أنحاء الجينوم، والتي تشغل 1400 ميجابايت. أحد هذه التكرارات هو تكرار Alu، ويبلغ طوله حوالي 300 نقطة أساس. ، تكرر في الجينوم مليون مرة. هناك نوع آخر ملحوظ من التكرارات المتناثرة وهو التكرارات الطرفية الطويلة (LTRs). هذه العناصر هي دليل جزيئي على وجود جزء من الحمض النووي يقفز داخل الجينوم. الطول الإجمالييوجد 250 ميجابايت من هذه المواقع على جزيء الحمض النووي. 55

يقدر عدد الجينات لدى البشر بـ 20 - 25 ألفًا (تقديرات عام 2001 - 35 - 40 ألفًا). 56

الجزء الرئيسي من الجينوم البشري لا تشغله الجينات: 63-74٪ من الطول عبارة عن مساحات بين الجينات، ونصفها متكرر. الجين البشري "فارغ" داخليًا: يتم قطع 95٪ من الحمض النووي داخل الوريد (الإنترونات). يبلغ الطول الإجمالي لمناطق ترميز البروتين حوالي 1% من الحمض النووي الجينومي البشري. هذا هو فقط 3 أضعاف طول الجينوم البكتيري. 57

ملحوظة: تم التنبؤ بوجود ما بين 26383 إلى 39114 جينًا بشريًا بواسطة أجهزة الكمبيوتر (في عام 2001)، ولكن تم تأكيد أقل من 7000 فقط في البشر. وبالنسبة لأكثر من 80% من الجينات، تمت مراجعة بنيتها إلى حد ما على الأقل في الفترة من 2001 إلى 2003، ولا يزال يتم تنقيحها على الرقائق الدقيقة. الآن يبلغ العدد المتوقع للجينات لدى البشر ما بين 20 إلى 25 ألفًا، وقد تم تأكيد وجود حوالي 19000 منها تجريبيًا - حيث يتم تشكيل النصوص منها. التعريف المتاح حاليًا للجين (الجين هو جزء من الحمض النووي الجينومي مع أجزاء فرعية منتسبة) ليس كاملاً. على سبيل المثال، النسخ من سلسلتين ممكن. لم يتم تحديد الجينات القصيرة والجينات غير المشفرة للبروتين بشكل جيد. هناك ما لا يقل عن ألف منهم، ولكن العدد الدقيق غير معروف. مثل هذه الجينات هي أيضًا جينات، على الرغم من أنها لا ترمز للبروتينات. إنها جينات لأنها تصنع الحمض النووي الريبي (RNA). علاوة على ذلك، فإن الحمض النووي الريبي (RNA) لبعض الجينات غير المشفرة للبروتين يتكون من عدة إكسونات. أي أن الخلية تحتاج إلى هذه الـ RNA لسبب ما، ولكننا لا نفهم السبب بعد. 58

لنفترض أن نسخة mRNA ناضجة قد تم تشكيلها، وقد تحتوي على الإكسونات 1، 2، 3. وهذا لا يعني أنها ستحتوي بالضرورة على جميع هذه الإكسونات. قد يكون لدينا RNA الذي يحتوي على الإكسونات 1 و 2 أو الإكسونات 1 و 3، ونتيجة لذلك ستتكون منها بروتينات مختلفة. تسمى هذه الطريقة في معالجة المعلومات الوراثية بالجين البديل. إنه "يعمل" في الأذن الداخلية، على وجه الخصوص، هذا البروتين موجود في الزغابات المسؤولة عن التعرف على طبقة الصوت. وهو يتألف من 35 إكسونًا (المستطيلات في الشكل)، 8 منها (الأزرق) يمكن أن تكون موجودة أو غائبة في الرنا المرسال الناضج. 8 ممكن! = 40,320 متغيرًا للوصلات، ولكن تم اكتشاف حوالي 500 منها فقط. قد لا يكون هناك آخرون، أي أن الطبيعة لا ينبغي لها، بشكل عام، أن تنفذ جميع الخيارات الممكنة. 61

الدور البيولوجيالربط المتعدد على النحو التالي. أنواع مختلفةتستجيب الخلايا الشعرية في الأذن الداخلية للأصوات ذات الترددات المختلفة من 20 إلى 20000 هرتز. يتم تحديد الاختلافات الخلوية في إدراك التردد جزئيًا من خلال خصائص أشكال الوصلات البديلة لبروتين Slo. كيفية تحديد الاختيار بين متغيرات الوصلة غير معروفة. هناك حالات تتشكل فيها آلاف البروتينات المختلفة من موضع واحد. وتشمل هذه، على وجه الخصوص، البروتينات التي تتشكل على السطح الخلايا العصبية. وبالتالي، يبدو أنهم يشاركون بطريقة أو بأخرى في التعرف على الأصدقاء وفي تكوينهم الشبكات العصبية. في هذه الحالة، لا يتم إخراج الإكسونات أو الإنترونات فحسب، بل يمكن أيضًا إنشاء موقع بدء نسخ بديل. مثل هذه الحالات معروفة، خاصة بالنسبة للبشر، عندما يكون للجينات المختلفة عدة محفزات مختلفة، كل منها ينتج الحمض النووي الريبوزي الخاص به، والذي، اعتمادًا على مكان البداية، سيكون هناك إكسون إضافي مرتبط بطول مختلف للنسخة عند 5 '-نهاية. 63

آلية الربط تحدث عملية ربط إكسون بآخر في أقسام من تسلسل نيوكليوتيدات معين. وينتهي موقع الجهة المانحة للوصلة دائمًا بأحد اثنين من الدينوكليوتيدات، عادةً AG. أولاً، يحدث هجوم محب للنواة للإكسون المانح، ثم يحدث القطع، ويتم لف قطعة من GU وربطها بـ A. ثم يتم قطع الجزء الثاني، ويتم توصيل الإكسون الأول بالثاني، ويتم تشكيل الإنترون. 65

إذا نظرت إلى نسبة الجين الذي يتكون من الإكسونات، فإن أكبر نسخة معروفة (من جين ميوديستروفين) يبلغ طولها حوالي 2.5 مليون نيوكليوتيدات. في ذلك، يمر 14 ألف نيوكليوتيدات (0.6٪) إلى الجزء الناضج من الحمض النووي الريبي (RNA)، ويتم التخلص من 99.4٪ المتبقية من النص الأساسي (الإنترونات). مع زيادة حجم الجين الموجود على الكروموسوم، يزداد جزء ترميز البروتين الخاص به قليلاً، ويزداد عدد الإنترونات في الجين. ومع زيادة عدد الإنترونات، يزداد عدد مواقع الوصلات واحتمالية تلفها. لذلك، بالنسبة للجينات التي تحتوي على عدد كبير من الإنترونات، قد يرتبط فقدان الوظيفة أثناء الطفرة ليس بجزء ترميز البروتين في الحمض النووي، ولكن بربط العناصر التنظيمية. أظهر تسلسل الجينوم البشري أن بعض الإكسونات تتكرر عدة مرات في الجينوم. يمكن أن يكون هذا تكرارًا للإكسونات داخل جين واحد، أو وجود نفس الإكسون داخل عدة جينات مختلفة. اتضح أن الإكسونات، وهي العناصر الرئيسية لبنية الحمض النووي الريبي (RNA)، أي عناصر ترميز البروتين، أثناء عملية التطور يمكن أن تتكاثر بطريقة ما في الجينوم و"تخلط" بين الجينات المختلفة. تسمى هذه الظاهرة خلط إكسون - خلط إكسون. فيما يلي بروتينات مختلفة تحتوي على نفس الإكسونات. وبالتالي، اتضح أن التطور غالبا ما يمنع التغييرات في الجينوم، وليس تغييرات نقطية. 67

اعتبارًا من عام 2001، أكثر من 40% من الجينات البشرية ليس لها وظيفة معروفة. وبالنسبة للباقي، كان التصميم تقليديًا تمامًا. إن الانتماء إلى فئة وظيفية واحدة من البروتين لا يستبعد انتمائه إلى فئة أخرى. على سبيل المثال، حقيقة أن البروتين يرتبط بالحمض النووي لا تعني أنه لا يمكن أن يكون أيضًا إنزيمًا، وما إلى ذلك. وهذه خاصية أعطيت للجين لذلك الجزء منه المرتبط بالوظيفة المميزة، ولكن، بشكل عام، مثل هذا البروتين قد يكون له أكثر من وظيفة واحدة. معظم الجينات مسؤولة عن التعبير عن وظائف الجينوم وتكرارها وصيانتها؛ حوالي 20% منها مخصصة لنقل الإشارات بين الخلايا، وحوالي 17% مخصصة للتأكد من أن الخلية نفسها سليمة، وبالنسبة للآخرين لا يتم تصنيف الوظائف. اتضح أن البشر، مقارنة بالخميرة والبكتيريا وما إلى ذلك، لديهم المزيد من الجينات المنظمة للنسخ في الجينوم الخاص بهم. وهذا يعني أن منظمات النسخ تضاعفت بشكل كبير في الخط التطوري للثدييات، وخاصة البشر. من المفترض أن تنوع منظمات النسخ يوفر قدرًا أكبر من الدقة في استجابة الجينوم للإشارات البيئية. أي أن الثدييات لديها عدد أكبر من مجموعات الجينات المنسوخة بشكل منسق مقارنة بالمجموعات الأخرى. 71

يوجد أدناه ما تبدو عليه قطعة من الجينوم البشري (≈50000 سنة مضت). حوالي نصف طول جزء الحمض النووي هذا تشغله عناصر تم فهم بنيتها ووظيفتها. ومن بين هذه العناصر هناك جينات (إكسونات وإنترونات) وجينات كاذبة - هناك جينات وظيفية، وهناك نسخها غير الوظيفية. وهي عادة لا تحتوي على الإنترونات (يُعتقد أنه بعد نسخ وتحويل الحمض النووي الريبي الناضج، تكون عملية إدخاله مرة أخرى إلى الجينوم على شكل نسخة الحمض النووي ممكنة؛ وبعد ذلك سيكون جينًا يحتوي على "ذيل" إضافي. ولا تحتوي على إنترونات). بالإضافة إلى التكرارات القصيرة (SINE) والطويلة (LINE) المتفرقة، والتكرارات الطرفية الطويلة (LTR) - الآثار المتبقية بعد النقل، والترانسبوزونات، والأقمار الصناعية الدقيقة. 74

وبحلول عام 2001، تم تحديد 1112 "جينة مرضية" (أي تلك التي تؤدي الطفرات فيها إلى المرض) في الجينوم البشري، وهناك أيضاً 94 جينة "مركبة" تتشكل أثناء إعادة ترتيب جينوم الورم. حتى الآن، تم الكشف عن الآلية بشكل رئيسي لتلك الأمراض التي تؤثر على جزء ترميز البروتين في الجين. من الممكن ألا يتم العثور على عدد أقل من الطفرات المسببة للأمراض في المناطق التي تنظم النسخ، والربط، واستقرار الحمض النووي الريبي (RNA). 76

وفقا للأفكار اعتبارا من مارس 2005، لدى البشر 24000 جينة لترميز البروتين، منها 1700 جينة مرتبطة بالأمراض. هناك 44500 طفرة مرتبطة بالمرض موجودة في هذه الجينات الـ 1700 (متوسط 26 لكل جين). ولكن بالنسبة للطفرات العشرة آلاف المتبقية المعروفة، لم يتم تحديد مثل هذا الارتباط. 20% من الوفيات في الولايات المتحدة تحدث بسبب تناول الدواء إما بطريقة خاطئة أو بطريقة خاطئة. لكن هذا لا يرجع إلى عدم كفاءة الأطباء، بل إلى حقيقة أننا جميعا مختلفون وراثيا. الأمراض لها أهداف كثيرة، وإذا أخطأت في الهدف، فإن الدواء بالتأكيد لن يكون مفيدًا، وبالتالي قد يكون ضارًا. قد يكون لدى الشخص رد فعل محدد تجاه دواء معين (معدل الأيض منخفض جدًا أو مرتفع جدًا). وفي بلدنا، السبب الرئيسي للوفاة بين البالغين هو السكر. يتم إخفاء هذا السبب الجذري ببساطة خلف تعريف "الإصابة" (الصناعية، المنزلية، الطريق، إلخ)، والتي يشار إليها على أنها سبب الوفاة. تم الكشف عن وجود علاقة بين استهلاك الكحول في بلدنا ومتوسط العمر المتوقع: عندما ينخفض استهلاك الكحول، يرتفع متوسط العمر المتوقع، والعكس صحيح. 78

إذا تميز بروتينان بتسلسل حمض أميني مماثل (فوق الطول الحرج الذي يمكن أن تكون فيه التطابقات بقايا عشوائية بحتة)، فعندئذ يكون لديهم تسلسل سلفي مشترك وجين سلفي مناظر. عدد هذه الهياكل السلفية في البروتينات محدود للغاية. على سبيل المثال، كان هناك جين واحد في الجينوم، ثم كان هناك اثنان (الازدواج). وبمرور الوقت، غيرت الطفرات هذه الجينات كل على طريقته الخاصة. ومن ثم أدى هذا النوع إلى ظهور نوعين جديدين (انظر الشكل أدناه). كل هذه الجينات هي "أقارب" (متماثلات)، ولكن لها أسماء مختلفة. الجينات المتماثلة التي نعتبرها ضمن الأنواع المختلفة تسمى orthologs، والجينات المتماثلة في نفس الجينوم تسمى paralogs. 79

غالبًا ما تستخدم مقارنات هذه الجينات ذات الصلة في الدراسات التطورية. يستخدم علم الجينوم التطوري (علم الجينوم المقارن) بشكل مكثف للغاية في الطب. مثال على ذلك التطبيق العملي. يصاب الناس بالسمنة لأسباب مختلفة. على وجه الخصوص، هناك أشكال عائلية مندلية. وفي البشر، لم يتم تحديد الطفرات المسببة لهذا المرض. ولوحظ وجود نمط ظاهري مماثل للسمنة في الفئران. في الفئران، تم تعيين هذا وراثيا (في الواقع، لم يتم تعيين الجين، ولكن الطفرة الفعلية في الجين). قمنا بتسلسل المنطقة المحيطة بهذه الطفرة، ثم وجدنا نفس تسلسل النيوكليوتيدات في الجينوم البشري. لقد أصبح من الواضح أين يجب أن نبحث في الجينوم البشري عن الطفرات التي تسبب السمنة لدى البشر. واختبار هذه المنطقة من الجينوم البشري لدى المرضى ومقارنتها بنفس تسلسل النيوكليوتيدات لدى الأشخاص الأصحاء أكد أن طفرات هذا الجين لدى الإنسان كما في الفئران تؤدي إلى السمنة.

بيانات عن عدد الجينات المشاركة في تطور وعمل بعض الأعضاء والأنسجة البشرية 82

وتبين أن جينوم شقائق النعمان البحرية معقد تقريبًا مثل جينوم الإنسان. أظهرت قراءة جينوم شقائق النعمان البحرية أن أهم الابتكارات الجينية في تطور الحيوانات متعددة الخلايا حدثت في مراحلها الأولى. يبدو أن آخر سلف مشترك لشقائق النعمان البحرية والبشر والذباب عاش قبل حوالي 700 مليون سنة وكان لديه بالفعل جينوم معقد للغاية. تبين أن "البرنامج" الجيني الأساسي الذي أرشد تطور الحيوانات الأولى كان ناجحًا ومرنًا للغاية لدرجة أن التطور التدريجي اللاحق للحيوانات تم ضمانه بشكل أساسي من خلال التغييرات في "بيئاتها"، وليس في "الهندسة المعمارية". تبين أن الجينوم البشري يشبه بشكل عام جينوم شقائق النعمان البحرية (في الصورة - شقائق النعمان البحرية Nematostella) من جينومات الذباب والديدان. الصورة من موقع الجينوم. jgipsf. المنظمة 87

الجينوم هو التركيب الكامل للحمض النووي للخلية. علم الجينوم هو فرع شاب وسريع التطور من علم الوراثة يدرس مبادئ بناء الجينوم وتنظيمها الهيكلي والوظيفي. يدرس علم الجينوم الهيكلي تسلسل النيوكليوتيدات في الحمض النووي، بما في ذلك بنية الجينات وتوطينها. إحدى مهام علم الجينوم البنيوي هي بناء الخرائط الجينية للكائنات الحية. يحل علم الجينوم الوظيفي مشكلة تحديد وظائف مناطق الجينوم الفردية وآليات تفاعلاتها في المجموعة الخلوية. تعتمد الأفكار الحديثة حول الجينوم البشري على عدة اكتشافات للبيولوجيا الجزيئية في سبعينيات القرن العشرين، وأهمها اكتشاف تفاعل البوليميراز المتسلسل (PCR)، الذي يسمح بالحصول على كمية كافية من الحمض النووي لتحليلها. ، وتطوير طرق التسلسل التي تسمح للشخص بفك التسلسل الدقيق للنيوكليوتيدات في خيوط الحمض النووي. 90

في نهاية الثمانينات، بدأ مشروع الجينوم البشري الدولي، وكانت مهمته الرئيسية هي تسلسل الجينوم البشري. تم الانتهاء من التسلسل الكامل للجينوم البشري في عام 2000. أدى تسلسل الجينوم البشري إلى اكتشاف عدد كبير من أشكال النوكليوتيدات المفردة (SNPs) - المتغيرات الجينية لتسلسلات النوكليوتيدات في نفس منطقة الحمض النووي لدى أشخاص مختلفين. يتم استخدام SNPs الموزعة في جميع أنحاء الجينوم كعلامات وراثية. وفقًا لحسابات علماء الوراثة، فإن الأشخاص متطابقون بنسبة 99.9٪ في تسلسلات النيوكليوتيدات. وهكذا فإن التباين الوراثي بين الناس ينشأ من اختلافات في 0.1% فقط من الجينوم. أظهرت بيانات التسلسل أن هناك ما يزيد قليلاً عن 30000* جينًا في الجينوم البشري. يصل حجم معظم الجينات إلى 50.000 زوجًا أساسيًا. يتجاوز عدد منتجات البروتين المركبة عدد الجينات بمقدار 1.5-2 مرة. هذه هي نتيجة الربط البديل. 91

في نهاية الثمانينات، بدأ مشروع الجينوم البشري الدولي، وكانت مهمته الرئيسية هي تسلسل الجينوم البشري. تم الانتهاء من التسلسل الكامل للجينوم البشري في عام 2000. 92

كان الهدف من هذا المشروع هو تحديد تسلسل القواعد في جميع جزيئات الحمض النووي في الخلايا البشرية. وفي الوقت نفسه، يجب تحديد توطين جميع الجينات، الأمر الذي من شأنه أن يساعد في معرفة سبب العديد من الأمراض الوراثية وبالتالي فتح الطريق لعلاجها. ومن أجل الاستمرار في حل مشكلة رسم خرائط الجينات البشرية، تم صياغة خمسة أهداف رئيسية: 1) استكمال تجميع خريطة جينية تفصيلية يتم عليها الجينات المنفصلة عن بعضها البعض على مسافة لا تزيد في المتوسط عن 2 مليون. سيتم وضع علامة على القواعد (مليون) والتي تسمى عادة القواعد الضخمة)؛ 2) عمل خرائط فعلية لكل كروموسوم (الدقة 0.1 ميجابايت)؛ 3) الحصول على خريطة للجينوم بأكمله في شكل نسخ مميزة (5 آلاف قاعدة لكل نسخة أو 5 كيلو بايت)؛ 4) إكمال تسلسل الحمض النووي الكامل (دقة قاعدة واحدة) بحلول عام 2004؛ 5) وضع جميع الجينات البشرية على خريطة تسلسل مكتملة بالكامل (بحلول عام 2005). 94

وكان من المتوقع أنه عند تحقيق كل هذه الأهداف، سيتمكن الباحثون من تحديد جميع وظائف الجينات وتطوير طرق بيولوجية وكيميائية الاستخدام الطبيالبيانات المستلمة. وبعد النظر في وتيرة العمل المتسارع في إطار مشروع الجينوم البشري، أعلن القائمون على هذا المشروع في 23 أكتوبر 1998، أن البرنامج سيكتمل بالكامل في وقت أبكر بكثير من الموعد المخطط له، وصياغة "أهداف جديدة للجينوم البشري" المشروع: 1) الانتهاء في ديسمبر 1998 من العمل على تحديد تسلسل جينوم "الدودة المستديرة" C. elegans (تم ذلك في الوقت المحدد)؛ 2) استكمال التحليل الأولي لتسلسل الحمض النووي البشري بحلول عام 2001، والتسلسل الكامل بحلول عام 2003؛ 3) رسم خريطة لجينوم ذبابة الفاكهة بحلول عام 2002؛ 4) البدء في تحديد تسلسل جينوم الفأر باستخدام تقنيات الحمض النووي لكروموسوم الخميرة الاصطناعي (إكمال هذا المشروع بحلول عام 2005). بالإضافة إلى هذه الأهداف، المدرجة رسميًا في المشروع الذي تدعمه حكومة الولايات المتحدة وعدة حكومات أخرى، أعلنت عدة مراكز بحثية عن مهام سيتم تنفيذها بشكل أساسي من خلال المؤسسات الخاصة والجهات المانحة. وهكذا، بدأ علماء من جامعة كاليفورنيا (بيركلي)، وجامعة أوريغون ومركز فرويد هاتشينسون لأبحاث السرطان برنامج جينوم الكلاب. قررت الجمعية الدولية للتسلسل في فبراير 1996 أن أي تسلسل نيوكليوتيد بحجم 1-2 كيلو بايت يجب نشره (عبر الإنترنت) خلال 24 ساعة من تحديده. 95

ما الذي سيتم فعله بعد الانتهاء من تحليل الجينوم البشري؟ تتم صياغة المهمة الإستراتيجية الرئيسية للمستقبل على النحو التالي: دراسة الاختلافات في النوكليوتيدات المفردة في الحمض النووي أعضاء مختلفةوخلايا الأفراد والتعرف على الاختلافات بين الأفراد. إن تحليل مثل هذه الاختلافات لن يجعل من الممكن فقط الاقتراب من إنشاء صور جينية فردية للأشخاص، والتي، على وجه الخصوص، ستجعل من الممكن علاج الأمراض، ولكن أيضًا لتحديد الاختلافات بين السكان. وأيضا تحديد المناطق الجغرافيةزيادة المخاطر، مما سيساعد في تقديم توصيات واضحة بشأن الحاجة إلى تنظيف المنطقة من التلوث وتحديد مرافق الإنتاج حيث يوجد خطر كبير لإلحاق الضرر بجينومات الموظفين. ولا تؤدي هذه المهمة الهائلة إلى ظهور توقعات وردية بشأن الصالح العام فحسب، بل إنها تثير أيضاً قلقاً واعياً بين المحامين والمناضلين من أجل حقوق الإنسان الفردية. وهكذا، على وجه الخصوص، يتم التعبير عن الاعتراضات على الانتشار معلومات شخصيةدون قرار المتضررين. أحد الأمثلة يساعد على فهم هذه المخاوف: الآن بالفعل شركات التأمينعازمين على الحصول على هذه المعلومات عن طريق الاحتيال أو الاحتيال، فهم يعتزمون استخدام البيانات ضد أولئك الذين يؤمنون عليهم. على سبيل المثال، إذا كان مقدم طلب التأمين يحمل جينة من المحتمل أن تسبب المرض، فإن الشركات لا ترغب في التأمين على هؤلاء الأشخاص على الإطلاق أو تحاول فرض مبالغ باهظة مقابل التأمين الخاص بهم. وبناء على هذا،. لقد أصدر الكونجرس الأمريكي بالفعل عددًا من القوانين التي تهدف إلى الحظر الصارم لنشر المعلومات الجينية المتعلقة بالأفراد؛ ويعمل المحامون في جميع أنحاء العالم بشكل مكثف في هذا الاتجاه.

مجالات التطبيق العملي للهندسة الوراثية إنشاء النباتات المحورة وراثيا منذ 10 سنوات فقط، تخلفت التكنولوجيا الحيوية النباتية بشكل ملحوظ في تطورها، ولكن على مدى السنوات الثلاث الماضية كان هناك إطلاق سريع للنباتات المحورة وراثيا ذات سمات مفيدة جديدة في السوق. غطت النباتات المعدلة وراثيا في الولايات المتحدة 3 ملايين فدان في عام 1996، وارتفعت إلى 15 مليون فدان في عام 1997، و60 مليون فدان في عام 1998، و80 مليون فدان في العام الماضي. وبما أن الأشكال الرئيسية المعدلة وراثيا من الذرة، وفول الصويا، والقطن، القادرة على مقاومة مبيدات الأعشاب والحشرات، أثبتت نجاحها، فإن هناك من الأسباب ما يجعلنا نتوقع أن المساحة المزروعة بالنباتات المعدلة وراثيا في عام 2001 سوف تزيد بمقدار 4 إلى 5 مرات. في أبريل 1998، كانت النسبة المئوية لأشكال النباتات المعدلة وراثيا في الزراعة: الذرة - 6، فول الصويا - 12، القطن - 15، الطماطم -

نشأت مشكلة أخرى مع العلاج الطبي. على الرغم من الإنجازات الهائلة التي حققها الطب الحديث، فإن الأدوية التي يتم إنتاجها اليوم باهظة الثمن إلى حد أن ¾ سكان العالم يعتمدون الآن بشكل كامل على طرق العلاج التقليدية التي سبقت عصر ما قبل العلم، وفي المقام الأول على المستحضرات العشبية غير المكررة. في الدول المتقدمةتتكون الأدوية من 25% مواد طبيعية معزولة من النباتات. الاكتشافات السنوات الأخيرة(الأدوية المضادة للأورام: التاكسول، البودوفيلوتوكسين) تشير إلى أن النباتات ستظل مصدرًا للمواد الفعالة بيولوجيًا المفيدة (BTA) لفترة طويلة، وأن قدرة الخلية النباتية على تخليق BTA المعقدة لا تزال متفوقة بشكل كبير على القدرات الاصطناعية لمركب حيوي. مهندس كيميائي. ولهذا السبب تناول العلماء مشكلة إنشاء نباتات معدلة وراثيا. يبدأ تاريخ الهندسة الوراثية للنباتات في عام 1982، عندما تم الحصول على النباتات المحولة وراثيا لأول مرة. تعتمد طريقة التحويل على القدرة الطبيعية للبكتيريا Agrobacterium tumefaciens على تعديل النباتات وراثيا. أصبحت سلالات Agrobacterium المعاد بناؤها والتي تحتوي على متغيرات غير مسرطنة من بلازميدات Ti والتي زادت ضراوتها أساسًا لإحدى طرق التحول الأكثر شيوعًا. 98

في البداية، تم استخدام التحول للنباتات ثنائية الفلقة المهندسة وراثيا، ولكن الأبحاث الحديثة تظهر أن هذه الطريقة فعالة أيضا بالنسبة للذرة والأرز والقمح. طريقة تحويل أخرى واسعة النطاق هي تقنية تعتمد على قصف الأنسجة بجزيئات دقيقة من الذهب (أو معادن ثقيلة أخرى) مغلفة بمحلول الحمض النووي. يتم الحصول على جميع الأصناف التجارية المزروعة حاليًا باستخدام الطريقتين المذكورتين أعلاه. ومع ذلك، فإن الترسانة الحديثة من طرق التحويل واسعة جدًا وتتضمن أساليب مثل إدخال الحمض النووي في الخلايا العارية (البلاستيدات)، والتثقيب الكهربي للخلايا، والحقن المجهري للحمض النووي في الخلايا، وثقب الخلايا عن طريق هزها في معلقات بإبرة مجهرية، والالتهابات التي تتوسطها الفيروسات. ، وما إلى ذلك. تعد النباتات المعدلة وراثيًا ذات المقاومة لفئات مختلفة من مبيدات الأعشاب حاليًا أكثر منتجات التكنولوجيا الحيوية نجاحًا. والحقيقة هي أن التكنولوجيا الحيوية جعلت من الممكن تحقيق مثل هذه القفزة، حيث تبين أنه من الممكن تغيير مقاومة النباتات وراثيا لبعض مبيدات الأعشاب أو عن طريق إدخال الجينات التي تشفر البروتينات غير الحساسة لمبيدات الأعشاب. هذه الفئةمبيدات الأعشاب، أو من خلال إدخال الجينات التي توفر التمثيل الغذائي المتسارع لمبيدات الأعشاب النباتية. 99

حتى الآن، تم استنساخ الجينات التي تشفر الإنزيمات المستهدفة غير الحساسة لعمل مبيدات الأعشاب، مما أتاح الحصول على نباتات معدلة وراثيا مقاومة لمبيدات الأعشاب مثل مبيدات الأعشاب غليفوستات وكلورسولفورون وإيميدازولينون. كما تم عزل الجينات التي تشفر الإنزيمات اللازمة لتحلل بعض مبيدات الأعشاب، مما جعل من الممكن الحصول على نباتات معدلة وراثيا مقاومة للفوسفينوثريسين والدالابون. في عام 1997، تم اختيار فول الصويا المقاوم للتقرير الذي وزعته شركة As Grow كأفضل منتج زراعي أمريكي لهذا العام. ذهب العلماء أبعد من ذلك. نظرًا لأن العديد من النباتات معرضة للهجوم والاستهلاك من قبل الحشرات، فقد أجرى علماء الهندسة الوراثية تجربة على بكتيريا Bacillus-Thringiensis المعروفة منذ فترة طويلة، والتي تنتج بروتينًا تبين أنه شديد السمية للعديد من أنواع الحشرات، ولكنه في الوقت نفسه آمنة للثدييات. ، يتم إنتاج البروتين (دلتا إندوتاكسين، بروتين CRY) بواسطة سلالات مختلفة من Bacillus-Thringiensis. هذا هو البروتاكسين الذي يتحلل في أمعاء الحشرات ليشكل سمًا منشطًا. يرتبط البروتين المنشط على وجه التحديد بمستقبلات الأمعاء الوسطى للحشرات، مما يؤدي إلى تكوين المسام وتحلل الخلايا الظهارية المعوية. 100

تفاعل السموم مع المستقبلات محدد بدقة، مما يعقد اختيار مجموعة السموم والحشرات. تم العثور على عدد كبير من سلالات Bacillus-Thringiensis في الطبيعة، والتي تعمل سمومها فقط على البكتيريا أنواع معينةالحشرات تم استخدام مستحضرات Bacillus-Thringiensis لعقود من الزمن لمكافحة الحشرات في الحقول. إن إدخال جين هذا البروتين في جينوم النبات يجعل من الممكن الحصول على نباتات معدلة وراثيا لا تأكلها الحشرات. لكن هذه الطريقة مطلوبة عمل عظيممن ناحية الهندسة الوراثية، من حيث اختيار السلالات اللازمة وإنشاء هياكل معدلة وراثيا تعطي أعظم تأثيرلفئات معينة من الحشرات. بالإضافة إلى التأثير الخاص بالأنواع على الحشرات، فإن دمج جينات سموم دلتا بدائية النواة في جينوم النبات، حتى تحت سيطرة المروجين الأقوياء حقيقيات النوى، لم يؤد إلى مستوى عالتعبير. من المفترض أن هذه الظاهرة نشأت بسبب حقيقة أن هذه الجينات البكتيرية تحتوي على عدد أكبر بكثير من قواعد نيوكليوتيدات الأدينين والثايمين مقارنة بالحمض النووي النباتي. تم حل هذه المشكلة عن طريق إنشاء جينات معدلة، حيث تم قطع أحد الجينات الطبيعية وإضافة أجزاء معينة، مع الحفاظ على المجالات التي تشفر الأجزاء النشطة من سموم الدلتا. على سبيل المثال، باستخدام مثل هذه الأساليب، تم الحصول على بطاطس مقاومة لخنفساء البطاطس في كولورادو. حاليًا، تحتل ما يسمى بـ Bt - نباتات القطن والذرة الحصة الرئيسية فيها الحجم الإجماليالنباتات المعدلة وراثيا من هذه المحاصيل والتي تزرع في الحقول الأمريكية. 101

الآفاق من المتوقع أن تفتح المعرفة التفصيلية للجينوم البشري مسارات جديدة للتقدم في الطب والتكنولوجيا الحيوية. بدأت العديد من الشركات، مثل شركة Myriad Genetics، في تقديم طرق بسيطة لإجراء الاختبارات الجينية التي يمكن أن تكشف مدى القابلية للإصابة بمجموعة متنوعة من الأمراض، بما في ذلك سرطان الثدي، واضطرابات النزيف، والتليف الكيسي، وأمراض الكبد وغيرها. ومن المتوقع أيضًا أن تساعد المعلومات حول الجينوم البشري في البحث عن أسباب السرطان ومرض الزهايمر وغيرها من المجالات ذات الأهمية السريرية، ومن المحتمل أن تؤدي إلى تقدم كبير في علاجها في المستقبل. كذلك، على سبيل المثال، قد يقوم الباحث الذي يدرس شكلًا معينًا من أشكال السرطان بتضييق نطاق بحثه إلى جين واحد فقط. من خلال زيارة قاعدة بيانات الجينوم البشري على الإنترنت، يمكن لهذا الباحث التحقق مما كتبه علماء آخرون حول هذا الجين، بما في ذلك البنية المكونة من ثلاثة أعضاء (المحتملة) لبروتينه المشتق، ووظيفته، وعلاقته التطورية بالبروتينات الأخرى. الجينات البشريةأو مع الجينات الموجودة في الفئران أو الخميرة أو ذباب الفاكهة، أو الطفرات الضارة المحتملة، أو العلاقات مع الجينات الأخرى، أو أنسجة الجسم التي يتم تنشيط الجين فيها، أو الأمراض المرتبطة بالجين، أو غيرها من البيانات. علاوة على ذلك، فإن الفهم العميق لعملية المرض على مستوى البيولوجيا الجزيئية قد يقدم علاجات علاجية جديدة. نظرا للدور الهائل الراسخ للحمض النووي في البيولوجيا الجزيئية ودوره المركزي في تحديد المبادئ الأساسية للعمل العمليات الخلويةومن المحتمل أن تساهم المعرفة المتزايدة في هذا المجال في التقدم الطبي في مختلف المجالات ذات الأهمية السريرية التي لم يكن من الممكن تحقيقها بدونها. 102

إن تحليل أوجه التشابه في تسلسل الحمض النووي للكائنات الحية المختلفة يفتح أيضًا آفاقًا جديدة في دراسة نظرية التطور. في كثير من الحالات، يمكن الآن طرح أسئلة التطور من حيث البيولوجيا الجزيئية. وبالفعل فإن العديد من أهم المعالم في تاريخ التطور (ظهور الريبوسوم والعضيات، تطور الجنين، الجهاز المناعيالفقاريات) يمكن إرجاعها إلى المستوى الجزيئي. ومن المتوقع أن يلقي هذا المشروع الضوء على العديد من الأسئلة حول أوجه التشابه والاختلاف بين البشر وأقرب أقربائنا (الرئيسيات، وفي الواقع جميع الثدييات). مشروع تنوع الجينوم البشري (HGDP)، دراسة منفصلة، والتي تهدف إلى رسم خرائط لمناطق الحمض النووي التي تختلف بين المجموعات العرقية، والتي ترددت شائعات عن تعليقها، ولكنها في الواقع مستمرة وتتراكم حاليًا نتائج جديدة. ومن المرجح أن يتمكن برنامج HGDP في المستقبل من توليد بيانات جديدة في مجالات مكافحة الأمراض، والتنمية البشرية، والأنثروبولوجيا. يمكن لـ HGDP أن يكشف الأسرار الكامنة وراء تعرض المجموعات العرقية لأمراض معينة ويقترح استراتيجيات جديدة للتغلب عليها. ويمكنه أيضًا إظهار كيفية تكيف البشر مع هذه الأمراض. 103

تمكن العلماء من "قراءة" تسلسل النوكليوتيدات. لكن فك رموز الجهاز الوراثي البشري سيستغرق سنوات عديدة أخرى - ما يقرب من نصف جينات الإنسان العاقل لا تزال غير مكتشفة. التسلسل الجيني هو الخطوة الأولى في فهم الجينوم البشري. ففي نهاية المطاف، فإن الأفكار المتعلقة بوظائف الجينات الراسخة لا تؤدي إلا إلى توضيح الترتيب الذي تظهر به النيوكليوتيدات في سلسلة الحمض النووي. وهكذا، فإن أول دراسة متعمقة للجينوم البشري كشفت عن ألغاز أقل بكثير مما كان متوقعا. ومع ذلك، فقد سمح هذا لاحقًا للعلماء بالقيام بالعديد من الاكتشافات البارزة: نسبة كبيرة من جيناتنا تشكلت بواسطة الحضارة الإنسانية. وقد وجد العلماء الأمريكيون أن حوالي 1800 جين (حوالي 7% من الجينوم البشري) قد تغيرت نتيجة الانتقاء الطبيعي على مدى الخمسين ألف سنة الماضية، أي خلال تطور الحضارة الإنسانية. لقد تغيرت جينومات الذرة بنفس النسبة تقريبًا بعد أن قام البشر بتدجينها. حدثت التغيرات بشكل رئيسي في الجينات المسؤولة عن استقلاب البروتين ومقاومة الأمراض المختلفة. ووفقا للعلماء، يمكن تفسير هذه التغيرات بتطور الزراعة والنمو الحضري وزيادة الكثافة السكانية. يربط العلماء الطفرات في الجينات المسؤولة عن نشاط الدماغ بتطور الثقافة. 105

الناس الذين يعيشون حتى في زوايا مختلفةوتختلف الأراضي عن بعضها البعض بنسبة 0.1% فقط. ومع ذلك، فإن هذا التناقض البسيط في الحمض النووي يوفر أدلة كافية لتحديد الأسلاف الجغرافيين للفرد. لكن جينات الشمبانزي والبشر، الذين كانت علاقتهم في السابق تعتبر الأقرب، تتطابق بنسبة 95٪ فقط. أصبح الإنسان إنسانًا منذ 3 ملايين سنة. عندها بدأ أسلاف الإنسان العاقل في المشي منتصبا بعد توقف أحد الجينات. يتحكم هذا الجين - Neu 5 Gc - في إنتاج حمض السياليك (أحد السكريات) في الجسم. يقترح الباحثون أن الطفرة حدثت في مكان ما بين ظهور السلف المشترك للإنسان والشمبانزي وظهور الأسلاف المباشرين للإنسان العاقل. في الكائنات الحيوانية، جميع الخلايا مغطاة بقشرة من السكريات. الشخص ليس لديه هذا. يشير الخبراء إلى أن هذا يرتبط بطريقة ما بتطور الدماغ: خلال فترة التطور، عندما انفصل أسلاف الإنسان الحديث عن أسلاف الشمبانزي، كانت أحجام أدمغتهم متماثلة تقريبًا. 106

بعد أن تعلموا التمييز بين الألوان، توقف أسلاف الإنسان عن اختيار الشركاء بالرائحة. أدى تطور رؤية الألوان إلى حقيقة أن الرئيسيات التي عاشت في نصف الكرة الشرقي، والأشخاص الذين ظهروا بعد ذلك نتيجة لتطورهم، فقدوا القدرة على التعرف على الفيرومونات. حدث هذا منذ حوالي 23 مليون سنة، قبل وقت قصير من انقسام فصيلة القردة العليا، التي انحدر منها البشر في نهاية المطاف، إلى عدة مجموعات متميزة. عندما اكتسبت ذكور القرود التي تعيش في النصف الشرقي من الكرة الأرضية جينًا ثانيًا لرؤية الألوان منذ حوالي 23 مليون سنة، ظهرت تلقائيًا طريقة جديدة للانتقاء الجنسي. الآن، للإشارة إلى نضج الإناث وقدرتها على التكاثر، بدأوا في استخدام ليس الفيرومونات، ولكن الخصائص الجنسية الثانوية، مثل المناطق الملونة الزاهية على الجلد، وما إلى ذلك. يتم تحديد ميزات الشكل وراثيا. البرنامج الجينييحدد الجسم الشكل وهو المسؤول عن الوزن. صادف العلماء هذا النمط عندما بدأوا بفحص الأنسجة الدهنية لدى الفئران بحثًا عن ميلها إلى زيادة الوزن. تم تحديد ما لا يقل عن 12 جينًا تؤثر على مواقع مختلفة لتخزين الدهون. يبدو أن ثلاثة جينات أخرى تلعب دورًا حاسمًا في وجود ميل إلى زيادة الوزن. تقدر مساهمة الجينات في توزيع كتلة الدهون بنسبة 50-60 بالمائة. 107

هناك جين مسؤول عن الإدمان على النيكوتين. أجرت مجموعتان من العلماء أبحاثًا على أشكال مختلفة من جين CYP 2 A 6، وهو إنزيم موجود بشكل رئيسي في الكبد وينظم عملية التمثيل الغذائي للنيكوتين في جسم الإنسان. وقد أظهرت الدراسات السابقة أن الأشخاص الذين يفتقرون إلى هذا الجين هم أقل عرضة للإدمان على النيكوتين. ويعتقد الخبراء أنه عند هؤلاء الأشخاص، يتم التخلص من النيكوتين من الجسم على مدى فترة زمنية أطول، وبالتالي تظهر الرغبة في تدخين السيجارة التالية بعد فترة زمنية أطول. إدمان الكحولتحددها الجينات أيضًا. اكتشف العلماء الأمريكيون الجين الذي هو وصلةبين الإدمان على الكحول والخوف. أثبتت التجارب أن عدم وجود نسخة من جين معين يسبب شعورًا بالخوف ورغبة لا يمكن السيطرة عليها في تناول الكحول لدى الفئران. يقترح العلماء أن الفئران حاولت قمع خوفها بالكحول، لأن الاستهلاك المتكرر للكحول جعلها أكثر جرأة. قد يؤدي الدافع المماثل إلى إدمان الكحول المزمن لدى البشر. 108

109

في يعتبر الفيروس الغدي الصغير المرتبط (AAV) بمثابة ناقل محتمل لأنه، على عكس الفيروسات الغدية، لا يسبب المرض. ومع ذلك، فهو لا يحمل الجين أيضًا. لتحسينه كناقل، يتم إجراء تجارب على التشعيع والتعديل الكيميائي. وتجري مختبرات أخرى تجارب عليهاالفيروسات القهقرية التي تحمل CFTR، حيث أن هذه الفيروسات تدمج جينومها بشكل طبيعي في الخلايا المضيفة.

صحيح أنه يبقى قضية لم يتم حلهاما إذا كان تخليق بروتين CFTR الطبيعي سيقضي على التهابات الرئة البكتيرية، والتي تمثل 90٪ من حالات المراضة والوفيات. وهناك كل الأسباب للأمل في ذلك الهندسة الوراثيةسوف يتعامل بنجاح مع هذه المهمة. بروتين في الرئتين وظيفته التدمير الخلايا الأجنبية، لا يتم تنشيطه عند التركيزات المرتفعة من الملح (وهذا ما يتميز به التليف الكيسي)؛ ولكن بمجرد أن يبدأ CFTR في إنتاج منتجه، ينخفض تركيز الملح ويتم تنشيط البروتين.

في ويجري حاليًا تطوير طرق العلاج الجيني لعلاج الأمراض الوراثية الأخرى. وبالتالي، في حالة وجود خلل في خلايا الدم، يمكن تحويلها إلى وسط زرع وإدخالها

نخاع عظم المريض في بيئته الطبيعية. مما لا شك فيه أن بعض التطورات ستتكلل بالنجاح وستصبح ممارسة طبية روتينية خلال السنوات القادمة.

كل الحقائق المذكورة أعلاه هي أمثلة على ما يسمى العلاج الجيني الجسدي,أي أنها يتم تطبيقها على جسم (سوما) المريض على أمل الحصول على عدد كافٍ من الخلايا القادرة على أداء الوظائف الطبيعية. قد يتعافى المريض، لكن خطر نقل الجينات غير المرغوب فيها إلى الأبناء لا يزال قائمًا لأن الخلايا الجرثومية لم يتم تعديلها بهذه الطريقة. العلاج بالخلايا الجرثوميةويهدف إلى تعديل الكائن الحي بأكمله، بما في ذلك الغدد التي تنتج الخلايا الجرثومية. إن أبسط طريقة (من الناحية النظرية) هي تعديل البويضة المخصبة عن طريق إدخال جينات محورة مناسبة فيها. هذا النوع من الإجراءات ممكن بالفعل وقد تم تنفيذه بنجاح على حيوانات التجارب، مثل الفئران. ولكن هل يمكن تطبيقه على الإنسان، والأهم من ذلك، هل يستحق كل هذا العناء؟ وهذه قضية أخلاقية خطيرة، ويزعم بعض المدافعين عن الأخلاق أنه إذا كان العلاج الجيني الجسدي أخلاقياً، فإن اللعب بالجينوم البشري وتغيير التركيبة الجينية لأحفادنا أمر غير مقبول ويجب حظره.

علم الجينوم - دراسة الجينوم بأكمله

أتاحت التطورات الحديثة في التسلسل وتطوير الوسائل التقنية لمعالجة عدد كبير من الحيوانات المستنسخة في مكتبة الجينات للعلماء دراسة الجينوم الكامل للكائن الحي في وقت واحد. تم الآن تحديد التسلسل الكامل للعديد من الأنواع، بما في ذلك معظم ما يسمى بكائنات النموذج الجيني، مثل الإشريكية القولونية، والدودة المستديرة Caenorhabditis elegans؛

وبطبيعة الحال، الموضوع الكلاسيكي لعلم الوراثة، ذبابة الفاكهة Drosophila melanogaster. في التسعينيات، وعلى الرغم من عدد من الاضطرابات والخلافات، تم إطلاق مشروع الجينوم البشري (مشروع الجينوم البشري)، بتمويل من المعاهد الوطنية للصحة. في فبراير

الصحافة، 2004. - 448 ص: مريض.

في عام 2001، أدلت مجموعة كبيرة من الباحثين بقيادة ج. كريج فينتر من مختبر سيليرا جينوميكس الخاص ببيان حول فك رموز الجينوم البشري الأولي. نُشرت نتيجة عملهم في 16 فبراير 2001 في مجلة Science.

نسخة أخرى قدمتها مجموعة من الاتحاد الدولي لتسلسل الجينوم البشري، تم نشرها في 13 فبراير 2001 في مجلة الطبيعة.

يمكن اعتبار أصول علم الجينوم تعود إلى منتصف القرن العشرين، عندما رسم علماء الوراثة خرائط لجميع كروموسومات الكائنات الحية النموذجية بناءً على تكرار إعادة التركيب (انظر الفصل الثامن). ومع ذلك، أظهرت هذه الخرائط فقط تلك الجينات التي عُرفت أليلاتها الطافرة، وبالتالي لا يمكن تسمية هذه الخرائط كاملة. يكشف تسلسل الحمض النووي الكامل عن موقع جميع الجينات في الكائن الحي، بالإضافة إلى تسلسل القواعد بينها.

ينقسم علم الجينوم إلى هيكلي ووظيفي. يهدف علم الجينوم الهيكلي إلى معرفة مكان وجود جينات معينة بالضبط في الحمض النووي الصبغي. تتعرف برامج الكمبيوتر على البدايات والنهايات النموذجية للجينات، وتختار تلك التسلسلات التي من المرجح أن تكون جينات. تسمى مثل هذه التسلسلات إطار القراءة المفتوح(يفتح

إطار القراءة، OFR). نفس الشيء برامج الكمبيوتريمكنه أيضًا التعرف على الإنترونات النموذجية في تسلسلات OFR. بعد إزالة الإنترونات من الجين المحتمل، يستخدم الكمبيوتر الكود المتبقي لتحديد تسلسل الأحماض الأمينية في البروتين. تتم بعد ذلك مقارنة هذه البروتينات المحتملة بتلك البروتينات التي وظائفها معروفة بالفعل والتي تم بالفعل إدخال تسلسلاتها في قاعدة البيانات. بفضل هذا النوع من البرامج، ما يسمى المحافظة التطورية:حقيقة أنه بالنسبة لمعظم الجينات في الكائنات الحية المختلفة هناك جينات متشابهة. من المنظور التطور التطوريوهذا التشابه مفهوم: إذا كان بروتين أحد الأنواع البيولوجية متكيفًا بشكل جيد مع وظائفه، فإن جينه ينتقل بنفس الشكل أو مع تغييرات طفيفةإلى الأنواع التي تنحدر من النوع الأولي. تسمح لنا المحافظة التطورية بتحديد الجينات المرتبطة بجين معين في الكائنات الحية الأخرى. من خلال مقارنة الجين الناتج مع الجين المعروف بالفعل، غالبا ما يكون من الممكن تحديد وظيفته، تأكد من التحقق منه في التجارب اللاحقة.

بمجرد تحديد جميع الجينات المحتملة، تبدأ الخريطة الجينية. الخريطة الجينية البشرية عبارة عن مخطط مربك وملون إلى حد ما، حيث يتم وضع علامة على كل جين لون معيناعتمادًا على وظيفتها، والتي تم تحديدها بالمقارنة مع الجينات المعروفة الأخرى. تحتوي معظم الجينات البشرية، مثل جينات جميع حقيقيات النوى بشكل عام، على إنترونات كبيرة. تشير التقديرات إلى أن حوالي ثلث أو ربع التسلسلات المنشورة عبارة عن إنترونات. ومن المثير للاهتمام أن حوالي 1.5% فقط من الجينوم البشري بأكمله (حوالي 2.9 × 10 أزواج)

القواعد) تحتوي على تسلسلات (إكسونات) ترمز للبروتينات. بالإضافة إلى ذلك، يبدو أن هذا الحمض النووي يحتوي على 35.000-45.000 جين فقط، وهو أقل من المتوقع. لا يزال يتعين علينا أن نفهم كيف يقوم عدد صغير نسبيًا من الجينات بتشفير مثل هذا الكائن المعقد.

ما بين ثلثي وثلاثة أرباع الجينوم واسع النطاق

علم الوراثة / بارتون جوتمان، أنتوني غريفيث، ديفيد سوزوكي، تارا كوليس. - م: عادل-

الصحافة، 2004. - 448 ص: مريض.

يختلف عدد نسخ الحمض النووي المتكرر من شخص لآخر، لذلك يمكن استخدامه لتحديد الهوية، بما في ذلك في علم الطب الشرعي.

الجينوم الوظيفي

الجينوم الوظيفيهي دراسة وظيفة الجينات على مستوى الجينوم. على الرغم من أنه يمكن تحديد الجينات المحتملة من خلال تشابهها مع الجينات ذات الوظائف المعروفة في الكائنات الحية الأخرى، إلا أنه يجب اختبار جميع التخمينات ضد الكائن قيد الدراسة. في بعض الكائنات الحية النموذجية، مثل الخميرة الغذائية، من الممكن إيقاف وظيفة الجينات بشكل منهجي واحدًا تلو الآخر عن طريق استبدال شكله الوظيفي بشكل ممحى على ناقل خاص. ثم يتم الحصول على سلالة مع إيقاف تشغيل الجين وتقييم النمط الظاهري لها. في برنامج مستمر لتحليل جينوم الخميرة الغذائية، تم حذف عدة آلاف من الجينات واحدًا تلو الآخر.

هناك طريقة أخرى لعلم الجينوم الوظيفي وهي دراسة آلية النسخ على مستوى الجينوم. هذه الطريقةيعتمد على افتراض أن معظم الظواهر البيولوجية هي عمليات معقدة تنطوي على العديد من الجينات. ومما يثير اهتمام الباحثين بشكل خاص العمليات المرتبطة بتطور الكائن الحي، والتي ذكرناها في الفصل. 11. إذا تمت دراسة النسخ الجيني في ظل ظروف نمو مختلفة، فمن الممكن الحصول على فكرة عن المسارات الجينية الكاملة لتطور الكائن الحي.

ولكن كيف يمكننا دراسة النسخ على مستوى الجينوم؟ ومرة أخرى، تساعد التقنيات الجديدة العلماء في ذلك. يتم وضع الحمض النووي لكل جين في الجينوم أو جزء من الجينوم على سطح ألواح زجاجية صغيرة مرتبة بالترتيب. ثم يتم تعريضهم لجميع أنواع الرنا المرسال الموجودة في الخلية. لكائن معين. يتم الحصول على الحمض النووي الموجود على الصفائح في قسمين

طرق. في إحدى الطرق، يتم نسخ جميع جزيئات الرنا المرسال بشكل عكسي لإنتاج جزيئات DNA قصيرة ومكملة تتوافق مع جين واحد. وفي طريقة أخرى، يتم تصنيع الجينات (أو أجزاء من الجينات) قاعدة واحدة في كل مرة في مناطق محددة من الصفائح. يتم تنفيذ التوليف بواسطة الروبوتات التي تفتح وتغلق

علم الوراثة / بارتون جوتمان، أنتوني غريفيث، ديفيد سوزوكي، تارا كوليس. - م: عادل-

الصحافة، 2004. - 448 ص: مريض.

سطح زجاجي بترتيب معين. يمكن شراء شرائح الجينوم للعديد من الكائنات الحية من شركات المواد الكيميائية.

لدراسة آلية النسخ، يتم تمييز جميع mRNAs في مرحلة نمو معينة بعلامة فلورسنت ويتم توزيعها على سطح اللوحات. ترتبط هذه mRNAs بالحمض النووي المقابل لها ويمكن التعرف عليها من خلال مناطقها المتوهجة. ونظرًا لأن موضع الحمض النووي لكل جين على الصفائح معروف مسبقًا، فإن الكمبيوتر يحدد الجينات التي سيتم نسخها في مرحلة معينة من التطور.

لذا، بمساعدة هذه التقنيات وغيرها، بدأ علماء الوراثة في اكتشاف الأنماط العامة لتنظيم الكائنات الحية من الجوانب الوظيفية والهيكلية. لمعالجة كميات هائلة من المعلومات، ظهر فرع خاص من العلوم - المعلوماتية الحيوية. تعد العقود القادمة بأن تكون فترة اكتشافات عظيمة حقًا.

علم الوراثة / بارتون جوتمان، أنتوني غريفيث، ديفيد سوزوكي، تارا كوليس. - م: عادل-

الصحافة، 2004. - 448 ص: مريض.