See on osa 1 genoomika ajaloost, mida nimetatakse genoomiprojektideks. Selles osas püüan populaarteaduslikus võtmes rääkida sellest, kuidas tekkisid esimesed meetodid geneetiliste järjestuste lugemiseks, millest need koosnesid ja kuidas genoomika liikus üksikute geenide lugemiselt terviklike, sealhulgas konkreetsete inimeste genoomide lugemiseni. .

Varsti pärast Watsoni ja Cricki avastamist (joonis 1) sündis genoomika teadus. Genoomika on teadus organismide genoomide uurimisest, mis hõlmab täielike DNA järjestuste intensiivset lugemist (sekveneerimist) ja nende geenikaartidele kandmist. See teadus uurib ka geenide ja geenide alleelide vahelisi koostoimeid ning nende mitmekesisust, evolutsiooni mustreid ja genoomide struktuuri. Selle piirkonna areng toimus nii kiiresti, et alles hiljuti tekstiredaktorid nagu Microsoft Word ei teadnud sõna "genoom" ja püüdis seda parandada sõnaga "gnome".

Riis. 1James Watson (vasakul) ja Francis Crick (paremal) - teadlased, kes avastasid DNA kaksikheeliksi

Kõige esimene geen, mida loeti, oli MS2 bakteriofaagi ümbrisgeen, mida uuriti Walter Faiersi laboris 1972. aastal. 1976. aastal teati teisi bakteriofaagigeene – selle replikaas, geen, mis vastutab viirusosakeste paljunemise eest. Lühikesi RNA molekule oli juba tol ajal suhteliselt lihtne lugeda, kuid suuri DNA molekule polnud veel korralikult lugeda. Näiteks 1973. aastal Walter Gilberti ja Allen Maxi poolt saadud laktoosi operoni geenipiirkonna 24-tähelist järjestust peeti oluliseks läbimurdeks teaduses. Siin on järjestus:

5" – TGGAATTGTGAGCGGATAACAATT 3"
3"—ACCTTAACACTCGCCTATTGTTAA 5"

Varased DNA lugemise tehnikad olid väga ebaefektiivsed ja kasutasid nukleotiidide eristamiseks radioaktiivseid DNA märgiseid ja keemilisi meetodeid. Näiteks võiks võtta ensüümid, mis erinevate tähtede järel lõikavad nukleotiidjärjestuse erineva tõenäosusega. DNA molekul koosneb 4 tähest (nukleotiidist) A, T, G ja C, mis on osa kahekordsest antiparalleelsest (kaks ahelat, mis on suunatud vastasküljed) spiraalid. Selle spiraali sees on nukleotiidid üksteise vastas vastavalt komplementaarsuse reeglile: teises ahelas A vastas on T, G vastas on C ja vastupidi.

Gilbert ja Maxam kasutasid 4 tüüpi ensüüme. Üks lõikamine pärast A või G, kuid parem pärast A (A>G), teine ​​lõika parem pärast G (G>A), kolmas pärast C ja neljas pärast C või T (C+T). Reaktsioon viidi läbi 4 katseklaasis igat tüüpi ensüümiga ja seejärel asetati tooted geelile. DNA on laetud molekul ja kui vool on sisse lülitatud, jookseb see miinusest plussi. Väikesed molekulid jooksevad kiiremini, nii et lõigatud DNA molekulid reastuvad pikisuunas. Vaadates geeli 4 rada, oli võimalik öelda, millises järjestuses nukleotiidid paiknesid.

Läbimurre DNA sekveneerimise valdkonnas toimus siis, kui inglise biokeemik Frederick Sanger pakkus 1975. aastal välja niinimetatud "ahela lõpetamise meetodi" DNA järjestuste lugemiseks. Aga enne kui sellest meetodist räägime, on vaja end tutvustada protsessidega, mis toimuvad uute DNA molekulide sünteesil. DNA sünteesiks on vaja ensüümi – DNA-sõltuvat DNA polümeraasi, mis on võimeline viima üheahelalise DNA molekuli kaheahelaliseks. Selleks vajab ensüüm "seemet" - praimerit, lühike jada DNA, mis võib seostuda pika üheahelalise molekuliga, mida tahame laiendada kaheahelaliseks. Nõutavad on ka nukleotiidid ise nukleotiidtrifosfaatide kujul ja teatud tingimused, näiteks teatud magneesiumiioonide sisaldus söötmes ja teatud temperatuur. Süntees kulgeb alati ühes suunas otsast nimega 5' kuni lõpuni nimega 3'. Muidugi on DNA lugemiseks vaja suurt hulka maatriksit - see tähendab loetava DNA koopiaid.

1975. aastal tuli Sanger välja järgmisega. Ta võttis spetsiaalsed (lõpetavad) nukleotiidid, mis pärast DNA molekuli kasvava ahelaga liitumist segasid järgnevate nukleotiidide kinnitumist, st "lõhkusid" ahela. Järgmiseks võttis ta 4 katseklaasi, millest igasse lisas väikeses koguses kõik 4 tüüpi nukleotiide ja ühte tüüpi termineerivaid nukleotiide. Seega võis katseklaasis, kus paiknes termineeriv nukleotiid "A", iga uue DNA molekuli süntees katkeda igas kohas, kus "A" peaks ilmuma, katseklaasis, millel oli terminaalne "G" - igas kohas. kus G peaks ilmuma ja nii edasi. Geelile kanti 4 tuubi 4 rada (joonis 2) ja jällegi "jooksesid" kõige lühemad molekulid edasi ja pikim jäi algusesse ning ribade erinevuste järgi oli võimalik aru saada, milline nukleotiid millisele järgnes. . Ribade nägemiseks märgistati üks neljast nukleotiidist (A, T, G või C) ilma muutusteta keemilised omadused, kasutades radioaktiivsed isotoobid.

Riis. 2Sangeri meetod. Kuvatakse kolm neljast rajast koosnevat seeriat.

Seda meetodit kasutades loeti esimene DNA-l põhinev genoom - bakteriofaagi ϕX174 genoom, 5386 nukleotiidi pikkune (varem loetud faagi MS2 genoom põhines RNA-l ja selle genoom oli 3569 nukleotiidi pikkune).

Sangeri meetodit täiustati oluliselt LeRoy Hoodi laboris, kus 1985. aastal asendati radioaktiivne märgis helendava fluorestseeruva märgisega. See võimaldas luua esimese automaatse sekvenaatori: iga DNA molekul oli nüüd värviline erinevad värvid sõltuvalt sellest, mis see oli viimane kiri(värviga märgistatud nukleotiid, mis lõpetab ahela). Fragmendid eraldati geelil suuruse järgi ja masin luges automaatselt sissetulevate ribade luminestsentsspektri, kuvades tulemused arvutis. Selle protseduuri tulemuseks on kromatogramm (joonis 2), mille järgi on väga väheste vigadega lihtne määrata kuni 1000 tähe pikkune DNA järjestus.

Riis. 3 Näide kromatogrammist, kaasaegsel sekvenseril, kasutades Sangeri ahela lõpetamise meetodit ja helendavat märki.

Paljude aastate jooksul sai Sangeri täiustatud meetodist peamine genoomide massilise järjestuse määramise meetod ja seda kasutataks paljude täielike genoomiprojektide jaoks ning Sanger saaks 1980. aastal teise. Nobeli preemia keemias (esimese sai ta 1958. aastal insuliinivalgu aminohappejärjestuse lugemise eest – esimene valk loeti). Esiteks täielik genoom rakuline organism sai teatud kopsupõletiku ja meningiidi vorme põhjustava bakteri genoomiks - Haemophilus influenzae aastal 1995. Selle bakteri genoom oli 1 830 137 nukleotiidi pikk. 1998. aastal ilmus esimene mitmerakulise looma genoom, ümaruss ka Caenorhabditis elegans(joonis 4 paremal), 98 miljoni nukleotiidiga ja siis 2000. aastal ilmub esimene taimegenoom - Arabidopsis thaliana(Joon. 4 vasakul), mädarõika ja sinepi sugulased. Selle taime genoom on 157 miljonit nukleotiidi pikk. Sekveneerimise kiirus ja ulatus on kasvanud hämmastava kiirusega ning tekkivad nukleotiidjärjestuste andmebaasid on laienenud üha kiiremini.

Riis. 4 Arabidopsis thaliana(vasakul) ja Caenorhabditis elegans(paremal).

Lõpuks oli käes imetajate genoomi: hiire ja inimese genoomide kord. Kui James Watson juhtis 1990. aastal projekti kogu inimgenoomi lugemiseks instituudis, Rahvuslik tervishoid(NIH) USA-s olid paljud teadlased selle idee suhtes skeptilised. Selline projekt nõudis kolossaalset raha- ja ajainvesteeringut ning arvestades piiratud võimalused olemasolevad masinad genoomide lugemiseks tundusid paljudele lihtsalt võimatud. Teisest küljest lubas projekt revolutsioonilisi muutusi meditsiinis ja seadmest arusaamises Inimkeha, kuid ka siin oli probleeme. Fakt on see, et tol hetkel ei olnud täpne hinnang geenide arv inimeses. Paljud uskusid, et inimkeha keerukus viitab sellele, et sellel on sadu tuhandeid geene, võib-olla mitu miljonit, ja seetõttu oleks nii paljude geenide mõistmine, isegi kui nende järjestusi saaks lugeda, võimatu ülesanne. Just suure hulga geenide juuresolekul eeldasid paljud, et inimesed erinevad teistest loomadest põhimõtteliselt – selle arusaama lükkas hiljem ümber inimgenoomi projekt.

Idee lugeda inimese genoomi sündis 1986. aastal USA energeetikaministeeriumi initsiatiivil, kes hiljem koos NIH-ga projekti rahastas. Projekti maksumuseks hinnati 3 miljardit dollarit ning projekt ise kavandati 15 aastaks, projektis osalesid mitmed riigid: Hiina, Saksamaa, Prantsusmaa, Suurbritannia ja Jaapan. Inimese genoomi lugemiseks kasutati niinimetatud “bakteriaalseid tehiskromosoome” (BAC – bakteriaalne tehiskromosoom). Selle lähenemisviisi korral lõigatakse genoom paljudeks osadeks, umbes 150 000 tuhande nukleotiidi pikkuseks. Need fragmendid sisestatakse tehisrõnga kromosoomidesse, mis sisestatakse bakteritesse. Bakterite abiga need kromosoomid paljunevad ja teadlased saavad palju koopiaid samast DNA molekuli fragmendist. Seejärel loetakse iga selline fragment eraldi ja loetud 150 000 nukleotiidist koosnevad tükid kantakse kromosoomikaardile. See meetod võimaldab üsna täpset genoomi järjestamist, kuid on väga aeganõudev.

Kuid inimgenoomi projekt liikus äärmiselt aeglases tempos. Teadlane Craig Venter ja tema 1998. aastal asutatud ettevõte Celera Genomics mängisid genoomika ajaloos umbes sama rolli, kui Nõukogude Liit mõjutas Ameerika lendu Kuule. Venter ütles, et tema ettevõte viib inimgenoomi projekti lõpule enne valitsuse projekti lõpuleviimist. Projekt nõuab ainult 300 miljonit dollarit, mis on murdosa valitsuse projekti maksumusest uus tehnoloogia"Terve genoomi haavli" sekveneerimine - genoomi juhuslike lühikeste fragmentide lugemine. Kui Francis Collins, kes 1993. aastal asendas James Watsoni inimgenoomiprojekti direktorina, sai Venteri kavatsustest teada, oli ta šokeeritud. “ Me teeme inimese genoomi ja teie saate teha hiire“soovitas Venter. Teaduskogukondärevil ja sellel oli mitu põhjust. Esiteks lubas Venter oma projekti lõpetada 2001. aastal, 4 aastat enne valitsuse projekti tähtaega. Teiseks kavatses ettevõte Celera Genomics projektiga raha teenida, luues absoluutse andmebaasi, mille eest maksaksid kaubanduslikud ravimiettevõtted.

2000. aastal tõestas Selera oma sekveneerimismeetodi tõhusust, avaldades koos geneetik Gerald Rubini laboriga äädikakärbse Drosophila genoomi (varem oli bakteri esimese genoomi lugemiseks kasutatud terve genoomi püssi, kuid vähesed uskusid, et see meetod sobis suurte genoomide jaoks). Just see kommertsettevõtte tõuge stimuleeris inimese genoomiprojektis täiustatud ja kaasaegsemate genoomide lugemise meetodite väljatöötamist. 2001. aastal avaldati riigi genoomiprojekti ja Selera poolt genoomi esialgne versioon. Siis sai see tehtud esialgne hinnang geenide arv inimese genoomis on 30-40 tuhat. 2004. aastal ilmus genoomi lõplik versioon, mis oli kavandatust peaaegu kaks aastat varem. Viimases artiklis öeldi, et geenide arv inimestel peaks olema vaid 20-25 tuhat. See arv on võrreldav teiste loomadega, eriti ussiga C. elegans.

Peaaegu keegi ei osanud arvata, et meie keha toimimist tagavate geenide arv võib olla nii väike. Hiljem selgusid ka muud detailid: inimese genoom on umbes kolme miljardi nukleotiidi pikkune, suurema osa genoomist moodustavad mittekodeerivad järjestused, sealhulgas kõikvõimalikud kordused. Lihtsalt ära enamik Genoom sisaldab tegelikult geene – DNA lõike, millest loetakse välja funktsionaalsed RNA molekulid. Huvitav fakt et inimese genoomi tundmise suurenedes oletatavate geenide arv ainult vähenes: paljud potentsiaalsed geenid osutusid pseudogeenideks (mitte töötavateks geenideks), muudel juhtudel osutusid mitmed geenid sama geeni osaks.

Edasised sekveneerimismäärad kasvasid eksponentsiaalselt. 2005. aastal avaldati šimpansi genoom, mis kinnitas ahvide ja inimeste hämmastavat sarnasust, mida nägid mineviku zooloogid. 2008. aastaks oli täielikult läbi loetud 32 selgroogse genoom, sealhulgas kassi, koera, hobuse, makaagi, orangutani ja elevandi, 3 selgrootu deuterostoomi genoomi, 15 putuka genoomi, 7 ussi genoomi ja sadu bakterigenoomi.

Lõpuks lähenes inimkond 2007. aastal võimalusele järjestada üksikute inimeste genoomid. Esimene inimene, kellel oli täielik individuaalne genoom, oli Craig Venter (joonis 4). Samal ajal loeti genoom, et oleks võimalik võrrelda Venteri kromosoome, mille ta pärandas mõlemalt vanemalt. Seega leiti, et ühe inimese kromosoomikomplekti ja teise kromosoomikomplekti vahel on umbes kolm miljonit ühetähelist nukleotiidide erinevust, arvestamata tohutut arvu suuri varieeruvaid piirkondi. Aasta hiljem avaldati James Watsoni täielik diploidne genoom (joonis 5). Watsoni genoom sisaldas annoteeritud inimese genoomiga võrreldes 3,3 miljonit ühetähelist asendust, millest enam kui 10 000 põhjustas muutusi tema geene kodeerivates valkudes. Watsoni genoom maksis miljon dollarit ehk genoomide lugemise hind on 10 aastaga langenud üle 3000 korra, kuid see pole piir. Täna seisavad teadlased silmitsi ülesandega „1 genoom – 1000 dollarit – 1 päev” ja see ei tundu uute sekveneerimistehnoloogiate tulekuga enam võimatu. Ta räägib teile neist järgmine osa"lood".

Riis. 5 James Watson ja Craig Venter on esimesed inimesed, kellel on individuaalselt loetud genoomid.

1. Watson J, Crick F: Desoksüriboosi nukleiinhappe struktuur. Nature 1953(171):737–738.
2. Min Jou W, Haegeman G, Ysebaert M, Fiers W: kodeeriva geeni nukleotiidjärjestus Selle eest bakteriofaagi MS2 kattevalk. Nature, 1972, 237 (5350): 82-88.
3. Fiers W, Contreras R, Duerinck F, Haegeman G, Iserentant D, Merregaert J, Min Jou W, Molemans F, Raeymaekers A, Van den Berghe A jt: Bakteriofaagi MS2 RNA täielik nukleotiidjärjestus: replikaasi esmane ja sekundaarne struktuur geen. Nature, 1976, 260 (5551): 500-507.
   
4. Gilbert W, Maxam A: lac operaatori nukleotiidjärjestus. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1973, 70(12):3581-3584.
   
5. Maxam AM, Gilbert W: Uus meetod DNA sekveneerimiseks. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1977, 74(2):560-564.
   
6. Sanger F, Nicklen S, Coulson AR: DNA sekveneerimine ahelat lõpetavate inhibiitoritega. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1977, 74(12):5463-5467.
   
7. Smith LM, Sanders JZ, Kaiser RJ, Hughes P, Dodd C, Connell CR, Heiner C, Kent SB, Hood LE: Fluorestsentsi tuvastamine automatiseeritud DNA järjestuse analüüsis. Nature, 1986, 321 (6071): 674-679.
   
8. Fleischmann RD, Adams MD, White O, Clayton RA, Kirkness EF, Kerlavage AR, Bult CJ, Tomb JF, Dougherty BA, Merrick JM jt: Haemophilus influenzae Rd kogu genoomi juhuslik järjestus ja kokkupanek. Science 1995, 269 (5223): 496-512.
   
9. Nematoodi C. elegans genoomijärjestus: uuriva bioloogia platvorm. Science 1998, 282(5396):2012-2018.
   
10. Õistaime Arabidopsis thaliana genoomijärjestuse analüüs. Nature 2000, 408 (6814): 796-815.
    
11. Adams MD, Celniker SE, Holt RA, Evans CA, Gocayne JD, Amanatides PG, Scherer SE, Li PW, Hoskins RA, Galle RF jt: Drosophila melanogasteri genoomijärjestus. Science 2000, 287 (5461): 2185-2195.
    
12. Venter JC, Adams MD, Myers EW, Li PW, Mural RJ, Sutton GG, Smith HO, Yandell M, Evans CA, Holt RA jt: Inimese genoomi järjestus. Science 2001, 291 (5507): 1304-1351.
    
13. Lander ES, Linton LM, Birren B, Nusbaum C, Zody MC, Baldwin J, Devon K, Dewar K, Doyle M, FitzHugh W jt: Inimese genoomi esialgne sekveneerimine ja analüüs. Nature 2001, 409 (6822): 860-921.
    
14. Inimese genoomi eukromaatilise järjestuse lõpetamine. Nature 2004, 431 (7011): 931-945.
    
15. Šimpansi genoomi esialgne järjestus ja võrdlus inimese genoomiga. Nature 2005, 437 (7055): 69-87.
    
16. Levy S, Sutton G, Ng PC, Feuk L, Halpern AL, Walenz BP, Axelrod N, Huang J, Kirkness EF, Denisov G jt: Individuaalse inimese diploidne genoomi järjestus. PLoS Biol 2007, 5(10):e254.
17. Wheeler DA, Srinivasan M, Egholm M, Shen Y, Chen L, McGuire A, He W, Chen YJ, Makhijani V, Roth GT jt: indiviidi täielik genoom massiliselt paralleelse DNA sekveneerimise teel. Nature 2008, 452 (7189): 872-876.

2. osa – siin

Pikka aega nimetati genoomi haploidseks kromosoomide komplektiks. Kromosomaalse DNA informatsioonilise rolli kohta teabe kogunemine on muutnud mõiste "genoom" määratlust. Praegu tähendab see raku DNA täielikku koostist, s.o. kõigi geenide ja intergeenide piirkondade kogum. Genoomi võime pidada täielikuks juhiste komplektiks indiviidi kujunemiseks ja toimimiseks.

Ta uurib genoomide konstrueerimise üldpõhimõtteid ning nende struktuurset ja funktsionaalset korraldust. genoomika, mis järjestab, kaardistab ja tuvastab geenide ja ekstrageensete elementide funktsioone. Genoomika meetodid on suunatud bioloogiliste süsteemide ja protsesside uute mustrite dešifreerimisele. Inimese genoomika on molekulaarmeditsiini aluseks ning sellel on kriitilise tähtsusega pärilike ja mittepärilike haiguste diagnoosimise, ravi ja ennetamise meetodite väljatöötamine. Meditsiini jaoks on patogeensete mikroorganismide genoomika alased uuringud ülimalt olulised, kuna need annavad valgust nakkusprotsessi olemusele ja spetsiifilistele bakterite sihtmärkidele suunatud ravimite loomisele.

Genoomika on oma "noorest east" hoolimata jagatud mitmeks peaaegu sõltumatuks valdkonnaks: struktuurne, funktsionaalne, võrdlev, evolutsiooniline ja meditsiiniline genoomika.

Struktuurne genoomika uurib genoomide nukleotiidide järjestust, määrab geenide piirid ja struktuuri, geenidevahelisi piirkondi ja muid struktuurseid geneetilisi elemente (promootorid, võimendajad jne), s.o. koostab keha geneetilisi, füüsilisi ja transkriptsioonikaarte.

Funktsionaalne genoomika. Funktsionaalse genoomika alased uuringud on suunatud iga geeni ja genoomi piirkonna funktsioonide ja nende koostoime tuvastamisele rakusüsteemis. Ilmselgelt tehakse seda valgukooste uurides erinevad rakud. Seda uurimisvaldkonda nimetatakse proteoomika.

Võrdlev genoomika uurib selguse huvides erinevate organismide genoomide korralduse sarnasusi ja erinevusi üldised mustrid nende struktuur ja toimimine.

Evolutsiooniline genoomika selgitab genoomide evolutsiooniteed, geneetilise polümorfismi ja bioloogilise mitmekesisuse päritolu ning horisontaalse geeniülekande rolli. Evolutsiooniline lähenemine Inimese genoomi uurimine võimaldab meil jälgida geenikomplekside, üksikute kromosoomide moodustumise kestust, selle osade stabiilsust, hiljuti avastatud genoomi "ebakindluse" elemente, rassi moodustumise protsessi ja kromosoomide arengut. pärilik patoloogia.

Meditsiiniline genoomika lahendab rakendusküsimusi kliiniliste ja ennetav meditsiin inimese genoomide ja patogeensete organismide teadmiste põhjal (näiteks pärilike haiguste diagnoosimine, geeniteraapia, patogeenide virulentsuse põhjused jne).

Kõik eluslooduse evolutsiooni etapid pidid kahtlemata olema fikseeritud DNA infosüsteemis (ja osade olendite puhul ka RNA-s), aga ka selle organiseerimises rakus, et täita konservatiivset pärilikkuse säilitamise funktsiooni ja vastupidist. funktsioon – muutlikkuse säilitamine. See idee iga liigi genoomi kujunemisest on kõige mõistlikum. Seoses inimese genoomiga võime öelda, et inimese evolutsioon on genoomi areng. Seda ideed kinnitavad nüüd arvukad molekulaargeneetilised uuringud, kuna genoomide võrdlemine on muutunud võimalikuks erinevad tüübid imetajad, sealhulgas suured ahvid, kui ka liigisiseselt Homo sapiens genoomid erinevad rassid, etnilised rühmad, inimpopulatsioonid ja üksikisikud.

Iga eukarüootse liigi genoomi korraldus on elementide järjestikune hierarhia: nukleotiidid, koodonid, domeenid, geenidevaheliste piirkondadega geenid, komplekssed geenid, kromosoomiharud, kromosoomid, haploidne komplekt koos kromosomaalse ja ekstranukleaarse DNA-ga. Genoomi evolutsioonilisel transformatsioonil võib igaüks neist hierarhilistest tasemetest käituda täiesti diskreetselt (muutuda, kombineerida teistega jne).

Meie ideed inimgenoomi kohta hõlmavad inimgeneetika tohutut valdkonda, mis hõlmab vähemalt geenide "inventuuri", sidestusrühmade, geenide kaardistamise (lokaliseerimise), kogu DNA järjestuse (geenid, nende mutatsioonid ja kromosoomid) mõisteid. tervik), meiootilised transformatsioonid, üksikute geenide toimimine ja nende vastastikmõjud, genoomi kui terviku struktuuri ja funktsiooni integratsioon. Kõigi nende probleemide lahendamisele on keskendutud ulatuslikud mitmeaastased jõupingutused. rahvusvaheline programm"Inimese genoom" (1990–2000). Töö põhisuunaks oli genoomilõikude järjestikune järjestamine ja nende “liitmine”. Edukad arengud selles valdkonnas on lisanud programmi kliinilis-geneetilise aspekti.

Inimese genoomi teabe kliinilised rakendused

Päriliku haiguse uurimise etapid	Kliinilised rakendused
Haiguse registreerimine päriliku vormina	Meditsiiniline geneetiline nõustamine
Geeni lokaliseerimine kromosoomis	Geenisideme analüüsil põhinev diferentsiaaldiagnostika
Geeni isoleerimine	Geeniteraapia
Geenidefekti määratlus	Diagnostika (DNA-spetsiifiline)
Primaarse geeniprodukti tuvastamine	Diagnostika (biokeemiline). Ravi parandamine patogeneesi mõistmisel

Inimese genoomi süstemaatiline uurimine sai tegelikult alguse inimese pärilike tunnuste Mendeli analüüsist (20. sajandi algus). Genealoogiline meetod Seejärel läks see laialt levinud praktikasse ja samm-sammult hakkas materjal kogunema inimese diskreetsete pärilike tunnuste "inventuurile", kuid see protsess aeglustus järk-järgult (50 aasta jooksul avastati mitte rohkem kui 400 Mendeli tunnust ja 4 siderühma) , kliinilis-genealoogilise meetodi võimalused in puhtal kujul olid kurnatud.

Kiire areng inimese tsütogeneetikas, biokeemilises geneetikas ja eriti geneetikas somaatilised rakud 60ndatel viis koos genealoogilise lähenemisega inimese genoomi uurimine uuele tasemele teoreetiline alus ja kõrgel metoodilisel tasemel. Inimese uute Mendeli tunnuste avastamine hakkas kiiresti edenema, eriti biokeemilisel ja immunoloogilisel tasandil, ning tekkisid võimalused uurida geenide seost ja lokaliseerumist.

Inimese genoomi uurimisele andsid erilise tõuke molekulaargeneetilised meetodid ehk geenitehnoloogia tehnoloogia (70ndad). Genoomi mõistmise protsess on süvenenud kuni geeni eraldamiseni puhtal kujul ja selle järjestamiseni.

Erinevalt klassikalisest geneetikast on geenianalüüsi lähenemisviis uues geneetikas muutunud. IN klassikaline geneetika järjestus oli järgmine: Mendeli tunnuse tuvastamine -> geeni lokaliseerimine kromosoomis (või aheldusrühmas) -> primaarne geeniprodukt -> geen. Kaasaegses geneetikas on saanud võimalikuks ka vastupidine lähenemine: geeniisolatsioon -> sekveneerimine -> primaarprodukt ja seetõttu võeti selle uurimissuuna defineerimiseks kasutusele uus termin: "pöördgeneetika" või "pöördgeneetika".

Jätkub molekulaargeneetiliste meetodite täiustamine ja mitte vähem oluline nende automatiseerimine. USA-s ja Suurbritannias on välja töötatud ja kasutusele võetud automaatsed genoomi järjestamise seadmed. Neid nimetati genomotroniteks. Nad viivad läbi kuni 100 000 polümeraasi reaktsiooni tunnis. See tähendab, et mitmest miljonist aluspaarist koosnev piirkond (või piirkonnad) saab järjestada nädala jooksul.

Inimese genoomi dešifreerimisel mängivad suurt rolli arvutitehnoloogia ja infosüsteemid. Tänu neile on teabe (andmebaaside) kogumise küsimused alates erinevatest allikatest, selle säilitamine ja operatiivne kasutamine teadlasi erinevatest riikidest.

Perekonna DNA projekt
Isiklik genoomika
Genogeograafia ISOGG

Genoomika- molekulaargeneetika osa, mis on pühendatud elusorganismide genoomi ja geenide uurimisele.

Lugu

Genoomika tekkis erivaldkonnana 1980.–1990. aastatel. koos esimeste projektide ilmnemisega mõne elusorganismi liigi genoomide järjestamiseks. Bakteriofaagi Φ-X174 genoom oli esimene, mis täielikult sekveneeriti; (5368 nukleotiidi) 1977. aastal. Järgmine verstapost oli bakteri genoomi järjestamine Haemophilus influenzae(1,8) (1995). Pärast seda sekveneeriti täielikult veel mitme liigi genoomid, sealhulgas inimese genoom (2001 – esimene mustand, 2003 – projekti lõpetamine). Selle arendamine sai võimalikuks mitte ainult tänu biokeemiliste tehnikate täiustamisele, vaid ka tänu võimsama arvutitehnoloogia, mis võimaldas töötada tohutute andmemahtudega. Elusorganismide genoomide pikkust mõõdetakse mõnikord miljardites aluspaarides. Näiteks inimese genoom on umbes 3 miljardit aluspaari. Suurim teadaolev genoom (2010. aasta alguses) kuulub ühele kopsukala liigile (umbes 110 miljardit paari).

Genoomika osad

Struktuurne genoomika

Struktuurgenoomika – genoomse informatsiooni sisu ja korraldus. Eesmärk on uurida teadaoleva struktuuriga geene, et mõista nende funktsiooni, samuti määrata ruumiline struktuur maksimaalne arv"võtme" valgu molekulid ja selle mõju interaktsioonidele.

Funktsionaalne genoomika

Funktsionaalne genoomika on genoomis salvestatud teabe rakendamine geenist tunnuseni.

Võrdlev genoomika

Võrdlev genoomika (evolutsiooniline) - võrdlevad uuringud erinevate organismide genoomide sisu ja korraldus.

Täielike genoomijärjestuste saamine on toonud valgust erinevate elusorganismide genoomide erinevuste ulatusele. Allolevas tabelis on esitatud esialgsed andmed erinevate organismide genoomide sarnasuse kohta inimese genoomiga. Sarnasus on antud protsendina (peegeldab kahes võrreldavas liigis identsete aluspaaride osakaalu).

Vaade	Sarnasused	Märkmed ja allikad
Inimene	99,9 %	Inimese genoomi projekt
	100 %	Identsed kaksikud
Šimpans	98,4 %	ameeriklased meditsiini arengu eest; Jon Entine San Francisco eksamineerijas
	98,7 %	MSNBC-s tsiteeritud Richard Mural ettevõttest Celera Genomics
Bonobod ehk pügmee šimpansid		Sama, mis šimpanside puhul.
Gorilla	98,38 %	Põhineb geenidevahelise mittekorduva DNA uuringul (American Journal of Human Genetics, veebruar 2001, 682, lk 444–456)
Hiir	98 %
	85 %	kui võrrelda kõiki valke kodeerivaid järjestusi, siis NHGRI
Koer	95 %	Jon Entine San Francisco eksamineerijas
C. elegans	74 %	Jon Entine San Francisco eksamineerijas
Banaan	50 %	Ameeriklased meditsiini arengu eest
Nartsiss	35 %	Steven Rose The Guardianis 22. jaanuaril

Näiteid genoomika kasutamisest meditsiinis

Kirjutage arvustus artikli "Genoomika" kohta

Märkmed

Kirjandus

• Alistair R. R. Forrest jt. (2014). Promootori tasemel imetajate ekspressiooni atlas. Nature, 507 (7493): 462 DOI: 10.1038/nature13182
• Andersson, R. jt (2014) Inimese rakutüüpide ja kudede aktiivsete võimendajate atlas. Nature 507, 455-461 DOI:10.1038/nature12787

Vaata ka

Lingid

• .
• (bakterite ja arheide täielikult dešifreeritud genoomid).
• .

Geneetika osad
Klassikaline geneetika Populatsioonigeneetika Kvantitatiivne geneetika Molekulaargeneetika Meditsiiniline geneetika
Seotud artiklid: Genoomika Geenitehnoloogia Farmakogeneetika

Genoomika

Genoomikat iseloomustav väljavõte

Boriss ja tema sõber Žilinski tulid ka ümberkujundamise banketti vaatama. Tagasi tulles märkas Boriss maja nurgal seisvat Rostovit.
- Rostov! Tere; "Me ei näinud üksteist kunagi," ütles ta ja ei suutnud vastu panna, et küsida, mis temaga juhtus: Rostovi nägu oli nii kummaliselt sünge ja ärritunud.
"Mitte midagi, mitte midagi," vastas Rostov.
- Kas sa tuled sisse?
- Jah, ma tulen sisse.
Rostov seisis kaua nurgal ja vaatas kaugelt pidulisi. Tema mõtetes oli käimas valus töö, mida ta lõpetada ei jõudnud. Mu hinges tekkisid kohutavad kahtlused. Siis meenus talle Denisov oma muutunud näoilme, oma alandlikkusega ja kogu haigla nende küljest rebitud käte ja jalgadega, selle mustuse ja haigusega. Talle tundus nii elavalt, et ta tundis nüüd seda surnukeha haiglalõhna, et ta vaatas ringi, et mõista, kust see lõhn tulla võib. Siis meenus talle see oma valge käega ennastsalgav Bonaparte, kes oli nüüd keiser, keda keiser Aleksander armastab ja austab. Milleks rebitud käed, jalad ja tapetud inimesed? Siis meenus talle autasustatud Lazarev ja Denisov, kes olid karistatud ja andestamata. Ta tabas end nii kummalistel mõtetel, et ehmus nende peale.
Preobražentsevi toidulõhn ja nälg tõid ta sellest seisundist välja: ta pidi enne lahkumist midagi sööma. Ta läks hotelli, mida oli hommikul näinud. Hotellist leidis ta nii palju inimesi, ohvitsere, nagu temagi, kes olid saabunud tsiviilriietuses, et pidi end õhtust sööma sundima. Temaga liitusid kaks sama diviisi ohvitseri. Vestlus muutus loomulikult rahuks. Rostovi ohvitserid ja seltsimehed, nagu suurem osa sõjaväest, ei olnud rahul Friedlandi järel sõlmitud rahuga. Nad ütlesid, et kui nad oleks kauem vastu pidanud, oleks Napoleon kadunud, et tema vägedes pole kreekereid ega laskemoona. Nikolai sõi vaikides ja enamasti jõi. Ta jõi ühe või kaks pudelit veini. Temas tekkinud sisemine töö, mis ei lahenenud, piinas teda endiselt. Ta kartis oma mõtetesse laskuda ega suutnud neist lahkuda. Järsku hakkas Rostov ühe ohvitseri sõnade peale, et prantslasi on solvav vaadata, ägedalt karjuma, mis ei olnud kuidagi õigustatud, ja üllatas seetõttu ohvitsere suuresti.
– Ja kuidas sa saad hinnata, mis oleks parem! - hüüdis ta järsku verest õhetava näoga. - Kuidas saate hinnata suverääni tegusid, mis õigust meil on arutleda?! Me ei saa aru ei suverääni eesmärkidest ega tegudest!
"Jah, ma ei rääkinud suveräänist sõnagi," õigustas ohvitser, suutmata oma tuju muul moel seletada kui sellega, et Rostov oli purjus.
Kuid Rostov ei kuulanud.
"Me ei ole diplomaatilised ametnikud, kuid me oleme sõdurid ja ei midagi muud," jätkas ta. "Nad käsivad meil surra – nii me sureme." Ja kui nad karistavad, tähendab see, et ta on süüdi; See ei ole meie otsustada. Suveräänsel keisril on hea meel tunnustada Bonapartet keisrina ja sõlmida temaga liit – see tähendab, et nii peabki olema. Muidu, kui hakkaksime kõige üle kohut mõistma ja arutlema, siis ei jääks enam midagi püha. Nii me ütleme, et jumalat pole, pole midagi,” hõikas Nikolai vestluskaaslaste arusaamade järgi väga kohatult, kuid mõttekäigus väga järjekindlalt vastu lauda lüües.
"Meie töö on täita oma kohust, häkkida ja mitte mõelda, see on kõik," lõpetas ta.
"Ja juua," ütles üks ohvitseridest, kes ei tahtnud tülitseda.
"Jah, ja juua," tõstis Nikolai üles. - Hei, sina! Veel üks pudel! - ta hüüdis.

1808. aastal sõitis keiser Aleksander Erfurti uuele kohtumisele keiser Napoleoniga ja Peterburi kõrgseltskonnas räägiti palju selle piduliku kohtumise suurusest.
1809. aastal jõudis kahe maailmavalitseja, nagu Napoleoni ja Aleksandrit nimetati, lähedus selleni, et kui Napoleon sel aastal Austriale sõja kuulutas, läks Vene korpus välismaale, et aidata endist vaenlast Bonaparte'i endise liitlase vastu. Austria keiser; kuni selleni, et kõrgseltskonnas räägiti Napoleoni ja keiser Aleksandri ühe õe võimalikust abielust. Kuid lisaks välispoliitilistele kaalutlustele pälvis Vene ühiskonna tähelepanu sel ajal eriti teravalt sisemised muutused, mis toimusid sel ajal kõigis avaliku halduse osades.
Elu vahepeal päris elu inimesed, kellel on oma olulised huvid tervise, haiguse, töö, vaba aja, mõtte-, teadus-, luule-, muusika-, armastus-, sõprus-, vihkamis-, kirglike huvidega, nagu alati iseseisvalt ja väljaspool poliitilist lähedust või vaenu Napoleon Bonaparte'iga, ja väljaspool kõiki võimalikke transformatsioone.
Prints Andrei elas külas kaks aastat ilma vaheajata. Kõik need mõisate ettevõtted, mille Pierre alustas ja mille tulemuseni ei viinud, liikudes pidevalt ühest asjast teise, viis kõiki neid ettevõtteid kellelegi näitamata ja ilma märgatava tööjõuta prints Andrei.
Tal oli sisse kõrgeim aste see praktiline visadus, millest Pierre’il puudus, mis ilma temapoolse ulatuse ja pingutuseta asjale liikuma pani.
Üks tema kolmesajast talupojahingelisest valdusest anti üle vabadele maaharijatele (see oli üks esimesi näiteid Venemaal), teistes asendati corvee quitrentiga. Bogutšarovos kirjutati tema arvele õppinud vanaema, et aidata sünnitavaid emasid ning palga eest õpetas preester talupoegade ja õueteenijate lapsi lugema ja kirjutama.
Prints Andrei veetis poole oma ajast Bald Mountainsis koos oma isa ja pojaga, kes oli veel lapsehoidjatega; teise poole ajast Bogucharovi kloostris, nagu isa oma küla kutsus. Hoolimata ükskõiksusest, mida ta Pierre'i suhtes kõigile näitas välised sündmused maailmas, jälgis ta neid usinalt, sai palju raamatuid ja märkas oma üllatuseks, kui tema või tema isa juurde tulid värsked inimesed Peterburist, päris elukeerisest, et need inimesed teadmises kõigest toimuvast välises ja sisepoliitika, temast kaugel selja taga, kes istus ilma vaheajata külas.

Kahekümnenda sajandi lõpul arenesid molekulaartehnoloogiad nii intensiivselt, et tekkisid eeldused erinevate elusolendiliikide, sealhulgas inimese genoomide ehituse süstemaatiliseks uurimiseks. Nende projektide üks olulisemaid eesmärke on määrata genoomse DNA täielik nukleotiidjärjestus. Nii sündis uus teadus - genoomika.

Uue aastatuhande algust tähistas suurim avastus genoomika vallas – dešifreeriti inimese genoomi struktuur. Uudis osutus nii tähendusrikkaks, et sai maailma juhtivate riikide presidentide aruteluobjektiks. Paljudele inimestele see sõnum aga muljet ei avaldanud. Esiteks on see tingitud mõistmise puudumine mis on genoom, milline on selle struktuur ja mida selle dešifreerimine tähendab? Kas sellel uudisel on midagi pistmist meditsiiniga ja kas see võib mõjutada meist igaüht? Mis on molekulaarmeditsiin ja kas selle arendamine on seotud genoomi struktuuri dekodeerimisega? Pealegi kardavad mõned inimesed, et teadlaste uus avastus võib taas inimkonda ohustada? Kas neid andmeid kasutatakse sõjalistel eesmärkidel? Kas sellele ei järgne üldine kohustuslik geeniuuring – omamoodi populatsiooni geneetiline sertifitseerimine? Kas meie genoomi analüüsitakse ja kui konfidentsiaalne on saadud teave? Kõiki neid küsimusi arutatakse praegu teadusringkondades aktiivselt.

Muidugi ei saanud genoomika alguse inimestest, vaid palju lihtsamalt organiseeritud elusolenditest. Praegu on dešifreeritud paljude sadade mikroorganismide liikide genoomse DNA nukleotiidjärjestus, millest enamik on patogeensed. Prokarüootide puhul osutus analüüsi täielikkus absoluutseks, see tähendab, et ükski nukleotiid ei jää dešifreerimata! Selle tulemusena ei tuvastata mitte ainult nende mikroorganismide kõiki geene, vaid määratakse ka nende kodeeritavate valkude aminohappejärjestused. Oleme korduvalt märkinud, et valgu aminohappejärjestuse tundmine võimaldab üsna täpselt ennustada selle struktuuri ja funktsioone. Avaneb võimalus saada selle ennustatud valgu vastaseid antikehi, eraldada see mikroorganismist ja teha otsene biokeemiline analüüs. Mõelgem, mida see tähendab põhimõtteliselt uute infektsioonide vastu võitlemise meetodite väljatöötamiseks, kui arst ei tea mitte ainult seda, kuidas nakatava mikroorganismi geenid on üles ehitatud, vaid ka seda, milline on kõigi selle valkude struktuur ja funktsioon? Mikrobioloogias toimuvad praegu tohutud muutused, mis on tingitud tohutul hulgal uutest teadmistest, mille olulisust me praegu täielikult ei mõista. Ilmselt kulub selle kohandamiseks veel aastakümneid uut teavet inimkonna vajadustele eelkõige meditsiini ja põllumajanduse vallas.

Prokarüootidelt eukarüootidele üleminekuga genoomi struktuuri dešifreerimisel kaasnevad suured raskused ja mitte ainult seetõttu, et kõrgema DNA pikkus on tuhandeid ja mõnikord sadu tuhandeid kordi suurem, vaid ka selle struktuur muutub keerukamaks. Meenutagem, et kõrgemate organismide genoomis esineb suur hulk mittekodeerivat DNA-d, millest olulise osa moodustavad korduvad järjestused. Need tekitavad juba dešifreeritud DNA fragmentide õiges ühendamises märkimisväärset segadust. Ja pealegi on tandemkordusi ennast sel viisil raske lahti mõtestada. Selliste korduste lokaliseerimise valdkonnas võib DNA-l olla ebatavaline konfiguratsioon, mis raskendab selle analüüsi. Seetõttu on ühe mikroskoopilise ümarussi (nematoodi) liigi - esimese mitmerakulise organismi, mille DNA nukleotiidjärjestus oli võimalik määrata - genoomis juba hulk ebaselgeid kohti. Tõsi, nende erikaal on vähem kui sajandik protsenti kogu DNA pikkusest ja need ebaselgused ei hõlma geene ega reguleerivaid elemente. Selle ussi kõigi 19 099 geeni nukleotiidjärjestus, mis on jaotunud 97 miljoni aluspaari suurusel alal, on täielikult kindlaks määratud. Seetõttu tuleks nematoodi genoomi dešifreerimist pidada väga edukaks.

Veelgi suurem edu on seotud Drosophila genoomi dekodeerimisega, mis on ainult 2 korda väiksem kui inimese DNA ja 20 korda suurem kui nematoodi DNA. Vaatamata Drosophila kõrgetele geneetilistele teadmistele, oli umbes 10% selle geenidest kuni selle hetkeni teadmata. Kuid kõige paradoksaalsem on see, et nematoodiga võrreldes palju paremini organiseeritud Drosophilal on vähem geene kui mikroskoopilisel ümarussil! Kaasaegsest bioloogilisest vaatepunktist on seda raske seletada. Rohkem geene kui Drosophila omad leidub ka ristõieliste sugukonda kuuluva taime – Arabidopsis – dešifreeritud genoomis, mida geneetikud kasutavad laialdaselt klassikalise katseobjektina.

Genoomiprojektide arendamisega kaasnes intensiivne areng paljudes teaduse ja tehnoloogia valdkondades. Seega, bioinformaatika. Loodi uus matemaatiline aparaat tohutu hulga teabe salvestamiseks ja töötlemiseks; projekteeritud on enneolematu võimsusega superarvutisüsteemid; On kirjutatud tuhandeid programme, mis võimaldavad mõne minutiga läbi viia erinevate teabeplokkide võrdlevat analüüsi, sisestada iga päev arvuti andmebaasidesse uusi andmeid, mis on saadud erinevatest laboritest üle maailma, ja kohandada uut teavet olemasolevaga. varem kogunenud. Samal ajal töötati välja süsteemid genoomi erinevate elementide tõhusaks eraldamiseks ja automaatseks sekveneerimiseks, st DNA nukleotiidjärjestuste määramiseks. Selle põhjal kujundati võimsad robotid, mis kiirendavad oluliselt järjestamist ja muudavad selle odavamaks.

Genoomika areng on omakorda toonud kaasa tohutu hulga uute faktide avastamise. Paljude nende olulisust tuleb hinnata tulevikus. Kuid isegi praegu on ilmne, et need avastused viivad paljude tekkimist ja arengut puudutavate teoreetiliste seisukohtade ümbermõtlemiseni. erinevaid vorme elu Maal. Need aitavad paremini mõista üksikute rakkude toimimise aluseks olevaid molekulaarseid mehhanisme ja nende koostoimeid; paljude seni teadmata biokeemiliste tsüklite üksikasjalik dekodeerimine; analüüs nende seose kohta fundamentaalsega füsioloogilised protsessid. Seega toimub üleminek struktuurselt genoomikalt funktsionaalsele, mis omakorda loob eeldused raku ja organismi kui terviku töö molekulaarse aluse uurimiseks. Praegu kogutud teavet analüüsitakse järgmise paarikümne aasta jooksul. Aga kõik järgmine samm erinevate liikide genoomide struktuuri dešifreerimise suunas, tekitab uusi tehnoloogiaid, mis hõlbustavad teabe hankimise protsessi. Seega võib madalama organiseeritud elusolendiliikide geenide ehituse ja talitluse andmete kasutamine otsingut oluliselt kiirendada. spetsiifilised geenid kõrgemale. Ja nüüd asendavad uute geenide tuvastamiseks kasutatavad arvutianalüüsi meetodid sageli üsna töömahukad geeniotsingu molekulaarsed meetodid.

Genoomi struktuuri dekodeerimise kõige olulisem tagajärg teatud tüüpi on võimalus identifitseerida kõik selle geenid ning vastavalt identifitseerida ja määrata molekulaarne olemus transkribeeritud RNA molekulid ja kõik selle valgud. Analoogiliselt genoomiga sündisid mõisted transkriptsioon, mis ühendab endas transkriptsiooni tulemusena tekkinud RNA molekulide kogumit ja proteoom, mis sisaldab paljusid geenide poolt kodeeritud valke. Seega loob genoomika aluse uute teaduste intensiivseks arenguks - proteoomika Ja transkriptoomika. Proteoomika on iga valgu struktuuri ja funktsiooni uurimine; raku valgu koostise analüüs; üksiku raku funktsioneerimise molekulaarse aluse määramine, mis on paljude sadade valkude koordineeritud töö tulemus, ja organismile fenotüübilise tunnuse kujunemise uurimine, mis on raku koordineeritud töö tulemus. miljardeid rakke. Väga olulised bioloogilised protsessid toimuvad ka RNA tasemel. Nende analüüs on transkriptoomika teema.

Paljude maailma riikide genoomika valdkonnas tegutsevate teadlaste suurimad jõupingutused olid suunatud rahvusvahelise projekti “Inimese genoom” lahendamisele. Märkimisväärseid edusamme selles vallas seostatakse J. S. Venteri pakutud idee elluviimisega otsida ja analüüsida ekspresseeritud DNA järjestusi, mida saab hiljem kasutada teatud genoomi piirkondade omalaadsete “otseteede” või markeritena. Fr. juhitud rühma töös kasutati teist iseseisvat ja mitte vähem viljakat lähenemist. Collins. See põhineb inimese pärilike haiguste geenide esmasel tuvastamisel.

Inimgenoomi struktuuri dekodeerimine on viinud sensatsioonilise avastuseni. Selgus, et inimese genoomis on vaid 32 000 geeni, mis on mitmekordne vähem kogust valgud. Samal ajal on valke kodeerivaid geene vaid 24 000, ülejäänud geenide saadused on RNA molekulid. Erinevate indiviidide, etniliste rühmade ja rasside DNA nukleotiidjärjestuste sarnasusprotsent on 99,9%. See sarnasus teebki meist inimese – Homo sapiens! Kogu meie varieeruvus nukleotiidide tasemel mahub väga tagasihoidlikku näitajasse – 0,1%. Seega ei jäta geneetika ruumi rahvusliku või rassilise üleoleku ideedele.

Aga vaadakem üksteisele otsa – me kõik oleme erinevad. Rahvuslikud ja veelgi enam rassilised erinevused on veelgi märgatavamad. Niisiis, milline mutatsioonide arv määrab inimese varieeruvuse mitte protsentides, vaid absoluutarvudes? Selle hinnangu saamiseks peate meeles pidama, milline on genoomi suurus. Inimese DNA molekuli pikkus on 3,2 x 10 9 aluspaari. 0,1% sellest on 3,2 miljonit nukleotiidi. Kuid pidage meeles, et genoomi kodeeriv osa hõivab vähem kui 3% DNA molekuli kogupikkusest ja väljaspool seda piirkonda toimuvad mutatsioonid ei mõjuta enamasti fenotüübilist varieeruvust. Seega, et saada terviklik hinnang fenotüüpi mõjutavate mutatsioonide arvu kohta, peame võtma 3% 3,2 miljonist nukleotiidist, mis annab meile suurusjärgus 100 000. See tähendab, et umbes 100 tuhat mutatsiooni moodustavad meie fenotüübi. varieeruvus. Kui võrrelda seda arvu koguarv geene, selgub, et keskmiselt on 3-4 mutatsiooni geeni kohta.

Mis need mutatsioonid on? Nende valdav enamus (vähemalt 70%) määrab meie individuaalse mittepatoloogilise varieeruvuse, mis meid eristab, kuid ei tee meid üksteise suhtes halvemaks. See hõlmab selliseid omadusi nagu silmade värv, juuksed, nahk, kehatüüp, pikkus, kaal, käitumise tüüp, mis on samuti suuresti geneetiliselt määratud, ja palju muud. Umbes 5% mutatsioonidest on seotud monogeensete haigustega. Umbes veerand ülejäänud mutatsioonidest kuulub funktsionaalsete polümorfismide klassi. Nad osalevad päriliku eelsoodumuse kujunemisel laialt levinud multifaktoriaalsele patoloogiale. Muidugi on need hinnangud üsna umbkaudsed, kuid võimaldavad hinnata inimese päriliku varieeruvuse struktuuri.



Genoomika – kogu genoomi uurimine

Hiljutised edusammud järjestuse ja arenduse alal tehnilisi vahendeid suure hulga kloonide töötlemine geeniraamatukogus võimaldas teadlastel uurida kogu organismi genoomi korraga. Paljude liikide, sealhulgas enamiku nn mudelliikide täielikud järjestused on nüüdseks kindlaks määratud. geneetilised organismid, nagu näiteks E. coli;ümaruss Caenorhabditis elegans; ja loomulikult klassikaline geneetika objekt äädikakärbes Drosophila melanogaster. 1990. aastatel käivitati vaatamata mitmetele segadustele ja lahkarvamustele uurimisprojekt inimese genoom(“Inimese genoom”), rahastavad riiklikud tervishoiuinstituudid. 2001. aasta veebruaris suur grupp Teadlased eesotsas J. Craig Venteriga eralaborist Celera Genomics tegid avalduse inimgenoomi esialgse dešifreerimise kohta. Nende töö tulemus avaldati 16. veebruaril 2001 ajakirjas Science.

Teine versioon, mille esitas rühm International Human Genome Sequencing Consortium'ist, avaldati 13. veebruaril 2001 ajakirjas Nature.

Genoomika tekkelooks võib pidada 20. sajandi keskpaika, mil geneetikud kaardistasid rekombinatsioonide sageduse alusel kõik mudelorganismide kromosoomid (vt 8. peatükk). Need kaardid näitasid aga ainult neid geene, mille mutantsed alleelid olid teada ja seetõttu ei saa selliseid kaarte nimetada täielikuks. Täielik DNA sekveneerimine võimaldab meil tuvastada kõigi geenide asukoha organismis, samuti määrata nendevahelise aluste järjestuse.

Genoomika jaguneb struktuurseks ja funktsionaalseks. Struktuurigenoomika eesmärk on välja selgitada, kus täpselt teatud geenid kromosomaalses DNA-s asuvad. Arvutiprogrammid tunnevad ära geenide tüüpilised algused ja lõpud, valides need järjestused, mis kõige tõenäolisemalt on geenid. Selliseid järjestusi nimetatakse avatud lugemisraam (OFR). Sama arvutiprogrammid suudab ära tunda ka tüüpilisi introneid OFR-järjestustes. Pärast intronite eemaldamist potentsiaalsest geenist kasutab arvuti järelejäänud koodi valgu aminohapete järjestuse määramiseks. Neid potentsiaalseid valke võrreldakse seejärel nende valkudega, mille funktsioonid on juba teada ja mille järjestused on juba andmebaasi sisestatud. Tänu sedalaadi programmidele on nn evolutsiooniline konservatiivsus: asjaolu, et enamiku geenide jaoks erinevates organismides on sarnased geenid. Evolutsioonilise arengu seisukohalt on selline sarnasus mõistetav: kui ühe bioloogilise liigi valk on oma funktsioonideks hästi kohanenud, siis kandub tema geen edasi samal kujul või koos. väiksemaid muudatusi algsest põlvnevatele liikidele. Evolutsiooniline konservatiivsus võimaldab tuvastada antud geeniga seotud geene teistes organismides. Võrreldes saadud geeni juba tuntud geenidega, on sageli võimalik kindlaks teha selle funktsioon, kontrollige seda kindlasti järgmistes katsetes.

Kui kõik potentsiaalsed geenid on tuvastatud, algab geneetiline kaart. Inimese geneetiline kaart on üsna segane ja värvikas diagramm, kuna iga geen on märgistatud teatud värvi sõltuvalt selle funktsioonist, mis on kindlaks tehtud võrreldes teiste tuntud geenidega. Enamikul inimese geenidel, nagu kõigi eukarüootide geenidel üldiselt, on suured intronid. Hinnanguliselt on avaldatud järjestuste hulgas umbes kolmandik või neljandik introneid. Huvitav on see, et ainult umbes 1,5% kogu inimese genoomist (umbes 2,9 x 10 9 aluspaari) sisaldab valke kodeerivaid järjestusi (eksoneid). Lisaks näib, et see DNA sisaldab ainult 35 000–45 000 geeni, mis on prognoositust vähem. Me peame veel mõistma, kuidas suhteliselt väike arv geene kodeerib nii keerulist organismi.

Korduva DNA koopiate arv on inimestel erinev, seega saab seda kasutada identiteedi tuvastamiseks, sealhulgas kohtuekspertiisi valdkonnas.

Funktsionaalne genoomika on geenifunktsiooni uurimine kogu genoomi tasandil. Kuigi potentsiaalseid geene saab tuvastada nende sarnasuse järgi teiste organismide teadaolevate funktsioonidega geenidega, tuleks kõiki oletusi testida uuritava organismi suhtes. Mõnes mudelorganismis, näiteks toitumispärmis, on võimalik geenifunktsiooni süstemaatiliselt ükshaaval välja lülitada. Geeni väljalülitamine tekib, asendades selle funktsionaalse vormi spetsiaalsel vektoril kustutatud vormiga. Seejärel saadakse tüvi, mille geen on välja lülitatud, ja hinnatakse selle fenotüüpi. Käimasolevas toitumispärmi genoomi analüüsimise programmis on ükshaaval välja löödud mitu tuhat geeni.

Teine funktsionaalse genoomika meetod on transkriptsioonimehhanismi uurimine kogu genoomi tasemel. See meetod põhineb eeldusel, et enamik bioloogilisi nähtusi on keerulised protsessid mis hõlmavad paljusid geene. Erilist huvi pakuvad uurijatele organismi arenguga seotud protsessid, mida mainisime peatükis. 11. Kui geenitranskriptsiooni uuritakse aastal erinevad tingimused kasvu, siis saate täielikust aimu geneetilised rajad keha areng.

Aga kuidas me saame uurida transkriptsiooni kogu genoomi tasandil? Jällegi aitavad uued tehnoloogiad teadlasi selles. Iga genoomi geeni või genoomi mingi osa DNA asetatakse väikeste klaasplaatide pinnale, mis on järjestatud. Seejärel puutuvad nad kokku kõigi rakus leiduvate mRNA tüüpidega. antud organismist. Plaatide DNA saadakse kahel viisil. Ühe meetodi kohaselt pöördtranskribeeritakse kõik mRNA-d, et saada ühele geenile vastavad lühikesed komplementaarsed DNA molekulid. Teise meetodi kohaselt sünteesitakse geenid (või geenide osad) üks alus korraga plaatide teatud piirkondades. Sünteesi viivad läbi robotid, mis avavad ja sulgevad klaaspinna sisse kindlas järjekorras. Paljude organismide genoomiribasid saab osta keemiaettevõtetelt.