Dari awal lagi, mari kita tentukan apa yang kita maksudkan di sini dengan perkataan genom. Istilah ini sendiri pertama kali dicadangkan pada tahun 1920 oleh ahli genetik Jerman G. Winkler. Kemudian sudah ada istilah saintifik lain - genotip, diperkenalkan ke dalam senjata ahli genetik oleh V. Johansen pada tahun 1909, yang bermaksud keseluruhan semua kecenderungan keturunan sel tertentu atau organisma tertentu tertentu. Selepas itu, Johansen sendiri berkata dengan terkejut bahawa "kata-katanya" secara tidak disangka-sangka menjadi kenyataan pada masa yang akan datang. teori kromosom T. Morgana. Tetapi kemudian dia muncul istilah baru- genom. Tidak seperti genotip, istilah ini sepatutnya menjadi ciri keseluruhan spesies organisma, bukannya individu tertentu. Dan ini menjadi peringkat baru dalam perkembangan genetik.
DALAM kamus biologi konsep genom ditakrifkan sebagai satu set ciri gen bagi set haploid (tunggal) kromosom bagi jenis organisma tertentu. Rumusan ini tidak kedengaran sepenuhnya jelas kepada bukan pakar, dan yang paling penting, ia tidak tepat dalam pemahaman moden perkataan itu. Asas genom adalah molekul asid deoksiribonukleik, yang dikenali dalam bentuk singkatan sebagai DNA. Lagipun, semua genom (DNA) mengandungi sekurang-kurangnya dua jenis maklumat: maklumat yang dikodkan tentang struktur molekul utusan (yang dipanggil RNA) dan protein (maklumat ini terkandung dalam gen), serta arahan yang menentukan masa dan tempat manifestasi maklumat ini semasa pembangunan dan aktiviti kehidupan selanjutnya organisma (maklumat ini terletak terutamanya di kawasan intergenik, walaupun sebahagiannya dalam gen itu sendiri). Gen itu sendiri menduduki sebahagian kecil genom, tetapi pada masa yang sama ia membentuk asasnya. Maklumat yang direkodkan dalam gen adalah sejenis "arahan" untuk pembuatan protein, blok bangunan utama badan kita. "Di bahu" gen terletak tanggungjawab besar untuk bagaimana setiap sel dan organisma secara keseluruhan akan kelihatan dan berfungsi. Mereka mengawal kehidupan kita dari saat pembuahan hingga nafas terakhir, tanpa mereka tiada satu organ pun berfungsi, darah tidak mengalir, jantung tidak berdegup, hati dan otak tidak berfungsi.
Walau bagaimanapun, untuk mencirikan genom sepenuhnya, maklumat yang terkandung di dalamnya mengenai struktur protein tidak mencukupi. Kami juga memerlukan data mengenai unsur-unsur radas genetik yang mengambil bahagian dalam kerja ( ungkapan) gen mengawal ekspresi mereka pada peringkat perkembangan yang berbeza dan dalam situasi kehidupan yang berbeza.
Tetapi walaupun ini tidak mencukupi untuk definisi penuh genom. Lagipun, genom juga mengandungi unsur-unsur yang menyumbang kepada pembiakan sendiri ( replikasi), pembungkusan padat DNA dalam nukleus, dan beberapa kawasan lain yang masih tidak jelas, kadangkala dipanggil "mementingkan diri sendiri" (iaitu, seolah-olah hanya berkhidmat untuk diri mereka sendiri). Untuk semua sebab ini hari ini, apabila kita bercakap tentang tentang genom, biasanya bermaksud keseluruhan set urutan DNA yang dibentangkan dalam kromosom nukleus sel jenis tertentu organisma, termasuk, sudah tentu, gen. Dalam buku ini kami akan maksudkan dengan tepat definisi ini. Pada masa yang sama, perlu diingat bahawa beberapa struktur lain (organel) sel juga mengandungi maklumat genetik yang diperlukan untuk berfungsi organisma. Khususnya, semua organisma haiwan, termasuk manusia, juga mempunyai genom mitokondria, iaitu molekul DNA yang terdapat dalam struktur intrasel seperti mitokondria dan mengandungi sejumlah gen mitokondria yang dipanggil. Genom mitokondria manusia adalah sangat kecil berbanding dengan genom nuklear yang terletak pada kromosom, tetapi bagaimanapun, sumbangannya kepada metabolisme selular adalah sangat penting.
Adalah jelas bahawa pengetahuan tentang struktur DNA sahaja tidak mencukupi untuk penerangan penuh sistem keturunan sel. Analogi berikut diberikan kepada kesimpulan ini dalam kesusasteraan: maklumat tentang bilangan dan bentuk batu bata tidak dapat mendedahkan reka bentuk katedral Gothic dan kemajuan pembinaannya. Dalam lebih dalam erti kata yang luas Sistem keturunan sel terdiri bukan sahaja daripada struktur DNA, tetapi juga komponen lain, keseluruhannya dan faktor persekitaran menentukan bagaimana genom akan berfungsi, bagaimana perjalanan perkembangan individu akan diteruskan, dan bagaimana hasilnya. organisma akan hidup kemudian.
Genom manusia- genom spesies biologi Homosapiens. Kebanyakan sel manusia normal mengandungi set penuh 46 kromosom yang membentuk genom: 44 daripadanya tidak bergantung kepada jantina (kromosom autosomal), dan dua - kromosom X dan kromosom Y - menentukan jantina (XY pada lelaki atau XX dalam wanita). Kromosom dalam jumlah mengandungi kira-kira 3 bilion pasangan asas nukleotida DNA, membentuk 20,000-25,000 Semasa pelaksanaan Projek Genom Manusia, kandungan kromosom pada peringkat interfasa dalam nukleus sel (bahan eukromatin) telah ditulis sebagai urutan simbol. Pada masa ini, urutan ini digunakan secara aktif di seluruh dunia dalam bioperubatan. Penyelidikan telah mendedahkan bahawa genom manusia mengandungi dengan ketara bilangan yang lebih kecil gen daripada yang dijangkakan pada permulaan projek. Hanya untuk 1.5% daripada jumlah bahan adalah mungkin untuk menentukan fungsi yang lain adalah apa yang dipanggil DNA sampah. 1.5% ini termasuk gen yang mengekod RNA dan protein, serta urutan pengawalseliaan, intron, dan mungkin pseudogenes.
Genom manusia terdiri daripada 23 pasang kromosom ( secara keseluruhan 46 kromosom), di mana setiap kromosom mengandungi ratusan gen yang diasingkan ruang intergenik. Ruang intergenik mengandungi kawasan kawal selia dan DNA bukan pengekodan.
Terdapat 23 pasang kromosom berbeza dalam genom: 22 daripadanya tidak menjejaskan jantina, dan dua kromosom (X dan Y) menentukan jantina. Kromosom 1 hingga 22 dinomborkan mengikut urutan saiz yang semakin berkurang. Sel somatik biasanya mempunyai 23 pasangan kromosom: satu salinan kromosom 1 hingga 22 daripada setiap induk, masing-masing, serta kromosom X daripada ibu dan kromosom Y atau X daripada bapa. Secara keseluruhan, ternyata sel somatik mengandungi 46 kromosom.
Menurut hasil Projek Genom Manusia, bilangan gen dalam genom manusia adalah kira-kira 28,000 gen. Anggaran awal adalah lebih daripada 100 ribu gen. Disebabkan penambahbaikan dalam kaedah pencarian gen (ramalan gen), pengurangan selanjutnya dalam bilangan gen dijangka.
Menariknya, bilangan gen manusia tidak jauh lebih besar daripada bilangan gen dalam organisma model yang lebih ringkas, contohnya, cacing gelang. Caenorhabditiselegans atau lalat Drosophilamelanogaster. Ini disebabkan oleh fakta bahawa penyambungan alternatif diwakili secara meluas dalam genom manusia. Penyambungan alternatif membolehkan anda memperoleh beberapa rantai protein yang berbeza daripada satu gen. Akibatnya, proteom manusia nampaknya jauh lebih besar daripada proteom organisma yang diperiksa. Kebanyakan gen manusia mempunyai berbilang ekson, dan intron selalunya jauh lebih panjang daripada ekson bersempadan dalam gen.
Gen diagihkan secara tidak sekata merentas kromosom. Setiap kromosom mengandungi kawasan yang kaya gen dan miskin gen. Kawasan ini berkorelasi dengan jalur kromosom (jalur merentas kromosom yang boleh dilihat di bawah mikroskop) dan dengan kawasan yang kaya dengan CG. Pada masa ini, kepentingan pengedaran gen yang tidak sekata ini tidak difahami sepenuhnya.
Selain gen pengekodan protein, genom manusia mengandungi beribu-ribu gen RNA, termasuk pemindahan RNA (tRNA), RNA ribosom, mikroRNA, dan urutan RNA bukan pengekodan protein yang lain.
Maklumat berkaitan.
Ia tujuh tahun yang lalu - 26 Jun 2000. Pada sidang akhbar bersama dengan penyertaan Presiden AS dan Perdana Menteri Britain, wakil dua kumpulan penyelidikan - Konsortium Penjujukan Genom Manusia Antarabangsa(IHGSC) dan Celera Genomics- mengumumkan bahawa kerja untuk mentafsir genom manusia, yang bermula sejak tahun 70-an, telah berjaya disiapkan, dan versi drafnya telah disusun. Episod baru pembangunan manusia telah bermula - era pasca genomik.
Apakah yang boleh diberikan oleh pentafsiran genom kepada kita, dan adakah dana serta usaha yang dibelanjakan berbaloi dengan hasil yang dicapai? Francis Collins ( Francis S. Collins), penyelia program Amerika Genom Manusia, pada tahun 2000, memberikan ramalan berikut untuk perkembangan perubatan dan biologi dalam era pasca-genomik:
- 2010 - ujian genetik, langkah pencegahan, mengurangkan risiko penyakit, dan terapi gen untuk sehingga 25 penyakit keturunan. Jururawat mula melakukan prosedur genetik perubatan. Diagnostik praimplantasi tersedia secara meluas, dan batasan kaedah ini dibincangkan secara aktif. Amerika Syarikat mempunyai undang-undang untuk mencegah diskriminasi genetik dan menghormati privasi. Aplikasi praktikal genomik tidak boleh diakses oleh semua orang, ini terutama berlaku dalam negara membangun Oh.
- 2020 - ubat untuk diabetes, hipertensi dan penyakit lain, yang dibangunkan berdasarkan maklumat genomik, muncul di pasaran. Terapi kanser sedang dibangunkan yang secara khusus menyasarkan sifat sel kanser dalam tumor tertentu. Farmakogenomik menjadi pendekatan biasa untuk pembangunan banyak ubat. Menukar kaedah diagnostik penyakit mental, kemunculan kaedah baru untuk merawat mereka, mengubah sikap masyarakat terhadap penyakit tersebut. Aplikasi praktikal genomik masih tidak tersedia di mana-mana.
- 2030 - penentuan jujukan nukleotida bagi keseluruhan genom individu akan menjadi prosedur rutin, berharga kurang daripada $1000. Gen yang terlibat dalam proses penuaan telah dikatalogkan. Ujian klinikal sedang dijalankan untuk meningkatkan jangka hayat maksimum manusia. Eksperimen makmal pada sel manusia telah digantikan dengan eksperimen pada model komputer. Pergerakan massa lawan semakin rancak teknologi canggih di Amerika Syarikat dan negara lain.
- 2040
- Semua langkah kesihatan yang diterima umum adalah berdasarkan genomik. Kecenderungan kepada kebanyakan penyakit ditentukan (walaupun sebelum kelahiran). Ubat pencegahan berkesan yang disesuaikan dengan individu boleh didapati. Penyakit dikesan pada peringkat awal melalui pemantauan molekul.
Terapi gen tersedia untuk banyak penyakit. Menggantikan ubat dengan produk gen yang dihasilkan oleh badan sebagai tindak balas kepada terapi. Tempoh purata kehidupan akan mencapai 90 tahun kerana keadaan sosio-ekonomi yang bertambah baik. Terdapat perdebatan yang serius tentang keupayaan manusia untuk mengawal evolusinya sendiri.
Ketidaksamaan di dunia berterusan, mewujudkan ketegangan di peringkat antarabangsa.
Seperti yang dapat dilihat dari ramalan, maklumat genomik dalam masa terdekat mungkin menjadi asas untuk rawatan dan pencegahan banyak penyakit. Tanpa maklumat tentang gennya (dan ia sesuai dengan DVD standard), seseorang pada masa hadapan hanya akan dapat menyembuhkan hidung berair dari beberapa penyembuh di dalam hutan. Adakah ini kelihatan hebat? Tetapi pada suatu masa dahulu, vaksinasi sejagat terhadap cacar atau Internet adalah sama hebatnya (perhatikan bahawa ia tidak wujud pada tahun 70-an)! Pada masa hadapan, kod genetik kanak-kanak akan diberikan kepada ibu bapa di hospital bersalin. Secara teorinya, dengan cakera sedemikian, merawat dan mencegah sebarang penyakit seseorang individu akan menjadi perkara kecil semata-mata. Doktor profesional akan dapat sepenuhnya tarikh akhir yang ketat membuat diagnosis, menetapkan rawatan yang berkesan, dan juga menentukan kemungkinan pelbagai penyakit muncul pada masa hadapan. Sebagai contoh, ujian genetik moden sudah boleh menentukan dengan tepat tahap kecenderungan wanita terhadap kanser payudara. Hampir pasti, dalam 40-50 tahun, tiada seorang pun doktor yang menghormati diri sendiri tanpa kod genetik tidak akan mahu "merawat secara membuta tuli" - sama seperti hari ini pembedahan tidak boleh dilakukan tanpa X-ray.
Mari kita tanya diri kita sendiri: adakah apa yang dikatakan boleh dipercayai, atau mungkin pada hakikatnya semuanya akan menjadi sebaliknya? Adakah orang akhirnya dapat mengatasi semua penyakit dan adakah mereka akan mencapai kebahagiaan sejagat? Aduhai. Mari kita mulakan dengan fakta bahawa Bumi adalah kecil, dan tidak ada kebahagiaan yang mencukupi untuk semua orang. Sebenarnya, ia tidak mencukupi walaupun separuh penduduk negara membangun. "Kebahagiaan" ditujukan terutamanya untuk negeri yang dibangunkan dari segi sains, khususnya sains biologi. Sebagai contoh, teknik yang anda boleh "membaca" kod genetik mana-mana orang telah lama dipatenkan. Ini adalah teknologi automatik yang dibangunkan dengan baik - walaupun ia mahal dan sangat halus. Jika anda mahu, beli lesen, atau jika anda mahu, ciptakannya teknik baru. Tetapi tidak semua negara mempunyai wang yang cukup untuk pembangunan sedemikian! Akibatnya, beberapa negeri akan mempunyai ubat yang jauh mendahului tahap dunia lain. Sememangnya, di negara-negara kurang membangun Palang Merah akan membina hospital amal, hospital dan pusat genomik. Dan secara beransur-ansur ini akan membawa kepada fakta bahawa maklumat genetik pesakit di negara membangun (yang merupakan majoriti) akan tertumpu pada dua atau tiga kuasa yang membiayai amal ini. Sukar untuk membayangkan apa yang boleh dilakukan dengan maklumat sedemikian. Mungkin tidak mengapa. Walau bagaimanapun, hasil lain juga mungkin. Pertempuran mengenai keutamaan yang mengiringi penjujukan genom menggambarkan kepentingan ketersediaan maklumat genetik. Mari kita ingat secara ringkas beberapa fakta dari sejarah Program Genom Manusia.
Penentang penyahkodan genom menganggap tugas itu tidak realistik, kerana DNA manusia adalah puluhan ribu kali lebih lama daripada molekul DNA virus atau plasmid. Hujah utama menentang: “ projek itu memerlukan berbilion dolar, yang mana bidang sains lain akan terlepas, jadi projek genom akan melambatkan perkembangan sains secara menyeluruh. Tetapi jika wang ditemui dan genom manusia ditafsirkan, maka maklumat yang terhasil tidak akan membenarkan kos..."Walau bagaimanapun, James Watson, salah seorang penemu struktur DNA dan ahli ideologi program untuk jumlah bacaan maklumat genetik, dengan jenaka membalas: " Lebih baik tidak menangkap ikan besar daripada tidak menangkap ikan kecil", . Hujah saintis telah didengari - masalah genom telah dikemukakan untuk perbincangan di Kongres AS, dan sebagai hasilnya, program Genom Manusia kebangsaan telah diterima pakai.
DALAM bandar Amerika Bethesda, berhampiran Washington, merupakan salah satu pusat tumpuan HUGO ( Pertubuhan Genom Manusia). Pusat ini menyelaraskan kerja saintifik mengenai topik "Genom Manusia" di enam negara - Jerman, England, Perancis, Jepun, China dan Amerika Syarikat. Para saintis dari banyak negara di dunia menyertai kerja itu, bersatu dalam tiga pasukan: dua antara negeri - Amerika Projek Genom Manusia dan British dari Institut Wellcome Trust Sanger- dan sebuah syarikat swasta dari Maryland, yang menyertai permainan tidak lama kemudian - Celera Genomics. By the way, ini mungkin kes pertama dalam biologi apabila sedemikian tahap tinggi sebuah firma swasta bersaing dengan organisasi antara kerajaan.
Perjuangan itu berlaku menggunakan cara dan keupayaan yang sangat besar. Seperti yang dinyatakan suatu ketika dahulu pakar Rusia, Celera berdiri di atas bahu program Genom Manusia, iaitu, ia menggunakan apa yang telah dilakukan sebagai sebahagian daripada projek global. sungguh, Celera Genomics Saya menyertai program ini bukan pada mulanya, tetapi apabila projek itu sudah berjalan lancar. Walau bagaimanapun, pakar dari Celera memperbaik algoritma penjujukan. Di samping itu, superkomputer telah dibina atas pesanan mereka, yang memungkinkan untuk menambah "blok binaan" DNA yang dikenal pasti ke dalam urutan yang terhasil dengan lebih cepat dan lebih tepat. Sudah tentu, semua ini tidak memberi syarikat itu Celera kelebihan tanpa syarat, tetapi memaksanya untuk dianggap sebagai peserta penuh dalam perlumbaan itu.
Penampilan Celera Genomics ketegangan meningkat secara mendadak - mereka yang bekerja dalam program kerajaan merasakan persaingan yang sengit. Di samping itu, selepas penciptaan syarikat, persoalan kecekapan menggunakan pelaburan awam menjadi akut. Diketuai oleh Celera menjadi Profesor Craig Venter ( Craig Venter) yang mempunyai pengalaman yang luas kerja saintifik di bawah program negara "Genom Manusia". Dialah yang mengatakan bahawa semua program awam tidak berkesan dan syarikatnya menyusun genom dengan lebih cepat dan lebih murah. Dan kemudian faktor lain muncul - syarikat farmaseutikal besar terperangkap. Hakikatnya ialah jika semua maklumat tentang genom berada dalam domain awam, mereka akan kehilangan harta intelek, dan tidak akan ada apa-apa untuk dipatenkan. Prihatin tentang perkara ini, mereka melabur berbilion dolar dalam Celera Genomics (yang mungkin lebih mudah untuk dirundingkan). Ini mengukuhkan lagi kedudukannya. Sebagai tindak balas kepada ini, pasukan konsortium antara negeri dengan segera perlu meningkatkan kecekapan kerja penyahkodan genom. Pada mulanya kerja tidak diselaraskan, tetapi kemudian pencapaian dicapai bentuk-bentuk tertentu kewujudan bersama - dan perlumbaan mula meningkat.
Perlawanan akhir adalah indah - organisasi yang bersaing, dengan persetujuan bersama, pada masa yang sama mengumumkan penyiapan kerja untuk mentafsir genom manusia. Ini berlaku, seperti yang telah kami tulis, pada 26 Jun 2000. Tetapi perbezaan masa antara Amerika dan England membawa Amerika Syarikat ke tempat pertama.
Rajah 1. "Perlumbaan untuk Genom," yang melibatkan syarikat antara kerajaan dan swasta, secara rasmi berakhir dengan "seri": kedua-dua kumpulan penyelidik menerbitkan pencapaian mereka hampir serentak. Celera Genomics Ketua sebuah syarikat swasta Craig Venter menerbitkan karyanya dalam jurnal Sains mengarang bersama ~270 saintis yang bekerja di bawah seliaannya. Kerja itu, yang dijalankan oleh Konsortium Penjujukan Genom Manusia Antarabangsa (IHGSC), diterbitkan dalam jurnal alam semula jadi
, dan senarai penuh pengarang berjumlah kira-kira 2,800 orang yang bekerja di hampir tiga dozen pusat di seluruh dunia. Penyelidikan ini berlangsung selama 15 tahun. Mencipta versi "draf" pertama genom manusia menelan kos $300 juta. Walau bagaimanapun, semua penyelidikan mengenai topik ini, termasuk analisis perbandingan dan penyelesaian kepada beberapa masalah etika Celera Genomics, kira-kira tiga bilion dolar telah diperuntukkan. melabur kira-kira jumlah yang sama, walaupun dia membelanjakannya dalam masa enam tahun sahaja. Harganya sangat besar, tetapi jumlah ini tidak signifikan berbanding dengan faedah yang akan diterima oleh negara pemaju daripada jangkaan tidak lama lagi kemenangan akhir Celera Genomics lebih berpuluh-puluh penyakit serius. Dalam wawancara awal Oktober 2002 dengan The Associated Press, Presiden Craig Venter berkata salah satu organisasi bukan untungnya merancang untuk menghasilkan CD yang mengandungi sebanyak mungkin maklumat tentang DNA pelanggan. Kos awal pesanan sedemikian adalah lebih daripada 700 ribu dolar. Dan salah seorang penemu struktur DNA - Dr James Watson - telah diberikan dua DVD dengan genomnya bernilai sejumlah $1 juta tahun ini - seperti yang kita lihat, harga jatuh. Jadi, naib presiden syarikat itu 454 Sains Hayat Michael Egholm ( Michael Egholm
Kemasyhuran yang meluas dan pembiayaan berskala besar adalah pedang bermata dua. Di satu pihak, terima kasih kepada dana tanpa had, kerja berjalan dengan mudah dan cepat. Tetapi sebaliknya, hasil penyelidikan harus berubah seperti yang diperintahkan. Menjelang awal tahun 2001, lebih daripada 20 ribu gen telah dikenal pasti dengan kepastian 100% dalam genom manusia. Angka ini ternyata tiga kali lebih rendah daripada yang diramalkan hanya dua tahun sebelumnya. Pasukan kedua penyelidik dari Institut Penyelidikan Genomik Kebangsaan AS, diketuai oleh Francis Collins, secara bebas memperoleh keputusan yang sama - antara 20 dan 25 ribu gen dalam genom setiap sel manusia. Walau bagaimanapun, ketidakpastian dalam anggaran akhir telah diperkenalkan oleh dua syarikat antarabangsa yang lain projek saintifik. Dr. William Heseltine (ketua eksekutif) Kajian Genom Manusia) menegaskan bahawa bank mereka mengandungi maklumat tentang 140 ribu gen. Dan dia tidak akan berkongsi maklumat ini dengan masyarakat dunia buat masa ini. Syarikatnya telah melabur wang dalam paten dan merancang untuk membuat wang daripada maklumat yang diperolehi kerana ia berkaitan dengan gen untuk penyakit manusia yang meluas. Kumpulan lain mendakwa terdapat 120,000 gen manusia yang dikenal pasti dan juga menegaskan bahawa angka ini mencerminkan jumlah keseluruhan gen manusia.
Di sini adalah perlu untuk menjelaskan bahawa penyelidik ini terlibat dalam mentafsir urutan DNA bukan genom itu sendiri, tetapi salinan DNA RNA maklumat (juga dipanggil templat) (mRNA atau mRNA). Dalam erti kata lain, bukan keseluruhan genom dikaji, tetapi hanya sebahagian daripadanya yang dikod semula oleh sel menjadi mRNA dan mengarahkan sintesis protein. Oleh kerana satu gen boleh berfungsi sebagai templat untuk penghasilan beberapa jenis mRNA yang berbeza (yang ditentukan oleh banyak faktor: jenis sel, peringkat perkembangan organisma, dll.), maka jumlah bilangan semua urutan mRNA yang berbeza (dan ini betul-betul apa yang dipatenkan Kajian Genom Manusia) akan menjadi lebih besar. Kemungkinan besar, menggunakan nombor ini untuk menganggarkan bilangan gen dalam genom adalah tidak betul.
Jelas sekali, maklumat genetik yang tergesa-gesa "diswastakan" akan disemak dengan teliti pada tahun-tahun akan datang sehingga bilangan gen yang tepat akhirnya diterima umum. Tetapi apa yang membimbangkan ialah hakikat bahawa dalam proses "kognisi" semua yang boleh dipatenkan adalah dipatenkan. Ia bukan kulit beruang mati, tetapi secara umum semua yang ada di dalam sarang itu dibahagikan! By the way, hari ini perbahasan telah menjadi perlahan, dan genom manusia secara rasmi mengandungi hanya 21,667 gen (NCBI versi 35, bertarikh Oktober 2005). Perlu diingatkan bahawa buat masa ini kebanyakan maklumat masih tersedia untuk umum. Kini terdapat pangkalan data yang mengumpul maklumat tentang struktur genom bukan sahaja manusia, tetapi juga genom banyak organisma lain (contohnya, EnsEMBL). Walau bagaimanapun, percubaan untuk mendapatkan hak eksklusif untuk menggunakan mana-mana gen atau jujukan untuk tujuan komersial sentiasa, kini dan akan terus dibuat.
Hari ini, matlamat utama bahagian struktur program telah banyak dipenuhi - genom manusia telah dibaca hampir sepenuhnya. Versi pertama, "draf" jujukan, diterbitkan pada awal tahun 2001, adalah jauh dari sempurna. Ia kehilangan kira-kira 30% daripada jujukan genom secara keseluruhan, di mana kira-kira 10% adalah jujukan yang dipanggil eukromatin- kawasan kromosom yang kaya gen dan diekspresikan secara aktif. Menurut anggaran baru-baru ini, euchromatin membentuk kira-kira 93.5% daripada keseluruhan genom. Baki 6.5% datang daripada heterokromatin- kawasan kromosom ini lemah dalam gen dan mengandungi sejumlah besar ulangan, yang menimbulkan kesukaran yang serius bagi saintis cuba membaca urutannya. Selain itu, DNA dalam heterochromatin dianggap tidak aktif dan tidak dinyatakan. (Ini mungkin menjelaskan "ketidakpedulian" saintis kepada peratusan "kecil" yang tinggal bagi genom manusia.) Tetapi walaupun versi "draf" jujukan eukromatik yang tersedia pada tahun 2001 mengandungi sejumlah besar pecahan, ralat, dan tersambung dan berorientasikan yang salah. serpihan. Tanpa apa-apa cara mengurangkan kepentingan "draf" ini untuk sains dan aplikasinya, perlu diperhatikan, bagaimanapun, bahawa penggunaan maklumat awal ini dalam eksperimen berskala besar menganalisis genom secara keseluruhan (contohnya, semasa mengkaji evolusi gen atau organisasi am genom) mendedahkan banyak ketidaktepatan dan artifak. Oleh itu, kerja yang lebih lanjut dan tidak kurang teliti, "langkah terakhir", sangat diperlukan.
Rajah 2. kiri: Talian automatik untuk menyediakan sampel DNA untuk penjujukan di Pusat Penyelidikan Genomik Institut Whitehead. Kanan: Sebuah makmal di , dipenuhi dengan mesin untuk penyahkodan pemprosesan tinggi bagi jujukan DNA.
Melengkapkan penyahsulitan mengambil masa beberapa tahun lagi dan hampir dua kali ganda kos keseluruhan projek. Walau bagaimanapun, pada tahun 2004 telah diumumkan bahawa euchromatin telah dibaca sebanyak 99% dengan ketepatan keseluruhan satu ralat setiap 100,000 pasangan asas. Bilangan rehat telah berkurangan sebanyak 400 kali ganda. Ketepatan dan kesempurnaan bacaan telah mencukupi untuk mencari gen yang bertanggungjawab untuk ini atau itu penyakit keturunan(cth diabetes atau kanser payudara). Dari segi praktikal, ini bermakna penyelidik tidak lagi perlu melalui proses intensif buruh untuk mengesahkan jujukan gen yang mereka kerjakan, kerana mereka boleh bergantung sepenuhnya pada jujukan khusus yang tersedia secara umum bagi keseluruhan genom.
Oleh itu, pelan projek asal telah melebihi dengan ketara. Adakah ini membantu kita dalam memahami bagaimana genom kita berstruktur dan berfungsi? Tidak dinafikan. Pengarang artikel dalam mengarang bersama ~270 saintis yang bekerja di bawah seliaannya. Kerja itu, yang dijalankan oleh Konsortium Penjujukan Genom Manusia Antarabangsa (IHGSC), diterbitkan dalam jurnal, di mana versi "akhir" (sehingga 2004) bagi genom diterbitkan, menjalankan beberapa analisis menggunakannya, yang pastinya tidak bermakna jika ia hanya mempunyai jujukan "draf" di tangan. Ternyata lebih daripada seribu gen telah "lahir" baru-baru ini (dengan piawaian evolusi, tentu saja) - dalam proses menggandakan gen asal dan perkembangan bebas seterusnya gen anak perempuan dan gen induk. Dan hanya di bawah empat puluh gen baru-baru ini "mati", setelah terkumpul mutasi yang menjadikannya tidak aktif sepenuhnya. Satu lagi artikel yang diterbitkan dalam terbitan majalah yang sama mengarang bersama ~270 saintis yang bekerja di bawah seliaannya. Kerja itu, yang dijalankan oleh Konsortium Penjujukan Genom Manusia Antarabangsa (IHGSC), diterbitkan dalam jurnal, secara langsung menunjukkan kelemahan kaedah yang digunakan oleh saintis dari Celera. Akibat daripada kekurangan ini adalah peninggalan banyak ulangan dalam urutan DNA yang dibaca dan, akibatnya, panjang dan kerumitan keseluruhan genom yang dipandang rendah. Untuk mengelak daripada mengulangi kesilapan yang sama pada masa hadapan, penulis artikel mencadangkan menggunakan strategi hibrid - gabungan pendekatan yang sangat berkesan yang digunakan oleh saintis dari Celera, dan kaedah yang agak perlahan dan intensif buruh, tetapi juga lebih dipercayai yang digunakan oleh penyelidik IHGSC.
Di manakah kajian Genom Manusia yang tidak pernah berlaku sebelum ini akan pergi seterusnya? Sesuatu boleh dikatakan mengenai perkara ini sekarang. Ditubuhkan pada September 2003, konsortium antarabangsa ENCODE ( ENsiklopedia Elemen DNA) ditetapkan sebagai matlamatnya penemuan dan kajian "elemen kawalan" (jujukan) dalam genom manusia. Sesungguhnya, 3 bilion pasangan asas (iaitu, panjang genom manusia) mengandungi hanya 22 ribu gen, yang bertaburan di lautan DNA ini dengan cara yang tidak dapat difahami oleh kita. Apa yang mengawal ekspresi mereka? Mengapa kita memerlukan lebihan DNA? Adakah ia benar-benar balast, atau adakah ia masih nyata, mempunyai beberapa fungsi yang tidak diketahui?
Sebagai permulaan, sebagai projek perintis, saintis ENCODE mengambil "melihat lebih dekat" pada urutan yang mewakili 1% daripada genom manusia (30 juta pasangan asas), menggunakan peralatan terkini untuk penyelidikan biologi molekul. Hasilnya diterbitkan pada April tahun ini di mengarang bersama ~270 saintis yang bekerja di bawah seliaannya. Kerja itu, yang dijalankan oleh Konsortium Penjujukan Genom Manusia Antarabangsa (IHGSC), diterbitkan dalam jurnal. Ternyata kebanyakan genom manusia (termasuk kawasan yang sebelum ini dianggap "senyap") berfungsi sebagai templat untuk pengeluaran pelbagai RNA, kebanyakannya tidak bermaklumat kerana mereka tidak menyandikan protein. Kebanyakan RNA "bukan pengekodan" ini bertindih dengan gen "klasik" (bahagian DNA yang mengekodkan protein). Satu lagi keputusan yang tidak dijangka ialah bagaimana kawasan pengawalseliaan DNA terletak relatif kepada gen yang ekspresinya dikawal. Urutan kebanyakan kawasan ini berubah sedikit semasa evolusi, manakala kawasan lain dianggap penting untuk kawalan sel bermutasi dan berubah pada kadar tinggi yang tidak dijangka semasa evolusi. Kesemua penemuan ini telah menimbulkan sejumlah besar persoalan baru, jawapannya hanya boleh diperolehi dalam penyelidikan lanjut.
Satu lagi tugas, penyelesaian yang akan menjadi masalah dalam masa terdekat, adalah untuk menentukan jujukan baki peratusan "kecil" genom yang membentuk heterochromatin, iaitu bahagian DNA miskin gen dan kaya berulang yang diperlukan untuk penggandaan kromosom semasa pembahagian sel. Kehadiran pengulangan menjadikan tugas untuk menguraikan urutan ini tidak dapat diselesaikan pendekatan sedia ada, dan oleh itu memerlukan ciptaan kaedah baharu. Oleh itu, jangan terkejut apabila artikel lain diterbitkan pada tahun 2010, mengumumkan "penamat" pentafsiran genom manusia - ia akan bercakap tentang bagaimana heterochromatin "digodam".
Sudah tentu, kini kami hanya mempunyai versi "purata" tertentu bagi genom manusia. Secara kiasan, hari ini kita hanya mempunyai penerangan paling umum tentang reka bentuk kereta: enjin, casis, roda, stereng, tempat duduk, cat, upholsteri, petrol dan minyak, dsb. Pemeriksaan yang lebih teliti terhadap keputusan yang diperoleh menunjukkan bahawa terdapat beberapa tahun kerja di hadapan untuk menjelaskan pengetahuan kita bagi setiap genom tertentu. Program Genom Manusia tidak berhenti wujud; ia hanya mengubah orientasinya: daripada genomik struktur terdapat peralihan kepada genomik berfungsi, yang direka untuk menentukan cara gen dikawal dan berfungsi. Selain itu, semua orang berbeza pada tahap gen dengan cara yang sama seperti model kereta yang sama berbeza pelbagai pilihan pelaksanaan unit yang sama. Bukan sahaja asas individu dalam urutan gen dua orang yang berbeza mungkin berbeza, tetapi bilangan salinan serpihan DNA yang besar, kadangkala termasuk beberapa gen, boleh berbeza-beza. Ini bermakna kerja pada perbandingan terperinci genom, katakan, wakil populasi manusia yang berbeza, kumpulan etnik, dan juga orang yang sihat dan sakit akan diketengahkan. Teknologi moden memungkinkan untuk menjalankan analisis perbandingan sedemikian dengan cepat dan tepat, tetapi sepuluh tahun yang lalu tiada siapa yang bermimpi tentang ini. Satu lagi persatuan saintifik antarabangsa sedang mengkaji variasi struktur dalam genom manusia. Di Amerika Syarikat dan Eropah, dana yang besar diperuntukkan untuk membiayai bioinformatik - sains muda yang muncul di persimpangan sains komputer, matematik dan biologi, tanpanya adalah mustahil untuk memahami lautan maklumat yang tidak terbatas yang terkumpul di dunia. biologi moden. Kaedah bioinformatik akan membantu kita menjawab banyak perkara soalan yang paling menarik- "bagaimana evolusi manusia berlaku?", "gen manakah yang menentukan ciri-ciri tertentu tubuh manusia?", "gen manakah yang bertanggungjawab untuk kecenderungan kepada penyakit?" Anda tahu apa yang orang Inggeris katakan: “ Ini adalah penghujung permulaan" - "Ini adalah penghujung permulaan." Frasa ini betul-betul mencerminkan keadaan semasa. Perkara yang paling penting bermula dan - Saya benar-benar pasti - yang paling menarik: pengumpulan keputusan, perbandingan mereka dan analisis lanjut.
« ...Hari ini kami mengeluarkan edisi pertama "Buku Kehidupan" dengan arahan kami, - Francis Collins berkata di saluran TV Rossiya. - Kami akan beralih kepadanya selama berpuluh-puluh, beratus-ratus tahun. Dan tidak lama lagi orang akan tertanya-tanya bagaimana mereka boleh menguruskan tanpa maklumat ini.».
Satu lagi sudut pandangan boleh digambarkan dengan memetik Academician V.A Kordyum:
“...Harapan bahawa maklumat baharu tentang fungsi genom akan terbuka sepenuhnya adalah simbolik semata-mata. Ia boleh diramalkan bahawa pusat gergasi akan timbul (berdasarkan yang sedia ada) yang akan dapat menghubungkan semua data menjadi satu keseluruhan yang koheren, sejenis versi elektronik Manusia dan melaksanakannya secara praktikal - ke dalam gen, protein, sel, tisu, organ dan lain-lain. Tetapi apa? Senang kepada siapa? Untuk apa? Dalam proses kerja program "genom manusia", kaedah dan peralatan untuk menentukan urutan DNA primer telah dipertingkatkan dengan cepat. DALAM pusat terbesar ia bertukar menjadi sejenis aktiviti kilang. Tetapi walaupun pada tahap peranti makmal individu (atau lebih tepatnya, kompleks mereka), peralatan canggih sedemikian telah dicipta yang mampu menentukan dalam tiga bulan urutan DNA yang sama dengan jumlah keseluruhan genom manusia. Tidak menghairankan bahawa idea mengenal pasti genom timbul (dan segera mula dilaksanakan dengan cepat) orang individu. Sudah tentu, sangat menarik untuk membandingkan perbezaan individu yang berbeza pada tahap prinsip asas mereka. Faedah perbandingan sedemikian juga tidak diragui. Ia akan menjadi mungkin untuk menentukan siapa yang mempunyai keabnormalan dalam genom, meramalkan akibatnya dan menghapuskan apa yang boleh membawa kepada penyakit. Kesihatan akan terjamin, dan kehidupan akan dilanjutkan dengan ketara. Ini di satu pihak. Sebaliknya, semuanya tidak jelas sama sekali. Mendapatkan dan menganalisis keseluruhan keturunan seseorang bermakna mendapatkan dokumen biologi yang lengkap dan menyeluruh mengenainya. Ia, jika dikehendaki oleh orang yang mengenalinya, akan membolehkannya melakukan apa sahaja yang dia mahu dengan seseorang itu secara menyeluruh. Mengikut rantaian yang telah diketahui: sel ialah mesin molekul; seseorang itu terdiri daripada sel; sel dalam semua manifestasinya dan dalam keseluruhan julat tindak balas yang mungkin direkodkan dalam genom; Malah pada hari ini, genom boleh dimanipulasi pada tahap yang terhad, dan pada masa hadapan ia boleh dimanipulasi dalam hampir apa-apa cara...»
Walau bagaimanapun, mungkin terlalu awal untuk takut dengan ramalan yang suram itu (walaupun anda pastinya perlu mengetahui tentangnya). Untuk melaksanakannya, adalah perlu untuk membina semula banyak tradisi sosial dan budaya sepenuhnya. Doktor berkata dengan baik tentang perkara ini dalam temu bual sains biologi Mikhail Gelfand, dan. O. Timbalan Pengarah Institut Masalah Penghantaran Maklumat Akademi Sains Rusia: " ...jika anda mempunyai, katakan, salah satu daripada lima gen yang menentukan awal perkembangan skizofrenia, maka apa yang boleh berlaku jika maklumat ini - genom anda - jatuh ke tangan anda bakal majikan yang tidak memahami apa-apa tentang genomik!(dan akibatnya, mereka mungkin tidak mengupah anda, menganggap ia berisiko; dan ini walaupun pada hakikatnya anda tidak dan tidak akan mengalami skizofrenia - nota pengarang.) Satu lagi aspek: dengan kemunculan perubatan individu berdasarkan genomik, perubatan insurans akan berubah sepenuhnya. Lagipun, ia adalah satu perkara untuk menyediakan risiko yang tidak diketahui, dan satu perkara lagi untuk menyediakan yang benar-benar tertentu. Sejujurnya, seluruh masyarakat Barat secara keseluruhan, bukan sahaja Rusia, tidak bersedia untuk revolusi genomik sekarang...” .
Memang guna dengan bijak maklumat baru, anda perlu memahaminya. Dan untuk faham genom tidak mudah dibaca, ini masih jauh dari cukup - ia akan mengambil masa beberapa dekad. Gambaran yang sangat kompleks sedang muncul, dan untuk memahaminya, kita perlu mengubah banyak stereotaip. Oleh itu, sebenarnya, pentafsiran genom masih berterusan dan akan diteruskan. Dan sama ada kita mengetepikan atau akhirnya menjadi peserta aktif dalam perlumbaan ini bergantung kepada kita.
kesusasteraan
- Kiselev L. (2001). Biologi Baru bermula pada Februari 2001. "Sains dan Kehidupan";
- Kiselev L. (2002). Kehidupan kedua genom: dari struktur ke fungsi. "Ilmu adalah Kuasa". 7 ;
- Ewan Birney, Konsortium Projek ENCODE, John A. Stamatoyannopoulos, Anindya Dutta, Roderic Guigó, et. al.. (2007). Pengenalpastian dan analisis unsur berfungsi dalam 1% genom manusia oleh projek perintis ENCODE. mengarang bersama ~270 saintis yang bekerja di bawah seliaannya. Kerja itu, yang dijalankan oleh Konsortium Penjujukan Genom Manusia Antarabangsa (IHGSC), diterbitkan dalam jurnal. 447 , 799-816;
- Lincoln D. Stein. (2004). Genom manusia: Akhir permulaan. mengarang bersama ~270 saintis yang bekerja di bawah seliaannya. Kerja itu, yang dijalankan oleh Konsortium Penjujukan Genom Manusia Antarabangsa (IHGSC), diterbitkan dalam jurnal. 431 , 915-916;
- Gelfand M. (2007). Era pascagenomik. "Bioteknologi Komersial".
Kandungan artikel
GENOME MANUSIA, program antarabangsa yang matlamat utamanya adalah untuk menentukan jujukan nukleotida (jujukan) keseluruhan DNA genom manusia, serta pengenalpastian gen dan penyetempatan mereka dalam genom (pemetaan). Idea asal untuk projek itu berasal pada tahun 1984 di kalangan sekumpulan ahli fizik yang bekerja untuk Jabatan Tenaga AS yang ingin meneruskan masalah berbeza selepas menyelesaikan projek nuklear.
Pada tahun 1988, Jawatankuasa Bersama, yang termasuk Jabatan Tenaga AS dan Institut Kesihatan Kebangsaan, memperkenalkan projek yang luas yang tugasnya - sebagai tambahan kepada penjujukan genom manusia - termasuk kajian komprehensif tentang genetik bakteria, yis, nematod, lalat buah dan tikus (organisma ini telah digunakan secara meluas sebagai organisma model dalam kajian genetik manusia). Di samping itu, analisis terperinci etika dan masalah sosial timbul berkaitan dengan kerja-kerja projek. Jawatankuasa itu berjaya meyakinkan Kongres untuk memperuntukkan $3 bilion untuk projek itu (satu nukleotida DNA untuk satu dolar), di mana ketua projek itu memainkan peranan penting Pemenang Nobel J.Watson. Tidak lama kemudian negara lain menyertai projek itu (England, Perancis, Jepun, dll.). Di Rusia pada tahun 1988, Ahli Akademik A.A. Baev datang dengan idea penjujukan genom manusia, dan pada tahun 1989 ia dianjurkan di negara kita. majlis ilmiah di bawah program Genom Manusia.
Pada tahun 1990, Pertubuhan Genom Manusia Antarabangsa (HUGO) telah diwujudkan, yang naib presidennya adalah ahli akademik A.D. Mirzabekov selama beberapa tahun. Sejak awal kerja projek genom, saintis bersetuju dengan keterbukaan dan kebolehcapaian semua maklumat yang diterima untuk pesertanya, tanpa mengira sumbangan dan kewarganegaraan mereka. Kesemua 23 kromosom manusia dibahagikan antara negara yang mengambil bahagian. Para saintis Rusia terpaksa mengkaji struktur kromosom ke-3 dan ke-19. Tidak lama kemudian, pembiayaan untuk kerja ini di negara kita telah dipotong, dan Rusia tidak mengambil bahagian sebenar dalam penjujukan. Program penyelidikan genomik di negara kita telah disusun semula sepenuhnya dan tertumpu pada bidang baharu - bioinformatik, yang cuba kaedah matematik memahami dan memahami segala yang telah dihuraikan.
Kerja itu sepatutnya siap dalam 15 tahun, i.e. sekitar tahun 2005. Walau bagaimanapun, kelajuan penjujukan meningkat setiap tahun, dan jika pada tahun-tahun awal ia berjumlah beberapa juta pasangan nukleotida setiap tahun di seluruh dunia, maka pada akhir tahun 1999 syarikat swasta Amerika Celera, yang diketuai oleh J. Venter, menguraikan sekurang-kurangnya 10 juta pasangan nukleotida setiap hari. Ini dicapai kerana fakta bahawa penjujukan telah dijalankan oleh 250 pemasangan robotik; mereka bekerja sepanjang masa, berfungsi secara automatik dan segera memindahkan semua maklumat terus ke bank data, di mana ia disusun secara sistematik, diberi penjelasan dan disediakan kepada saintis di seluruh dunia. Di samping itu, Celera menggunakan secara meluas data yang diperoleh sebagai sebahagian daripada Projek oleh peserta lain, serta pelbagai jenis data awal. Pada 6 April 2000, satu mesyuarat Jawatankuasa Kongres Sains AS telah berlangsung, di mana Venter menyatakan bahawa syarikatnya telah menyelesaikan pentafsiran jujukan nukleotida semua serpihan penting genom manusia dan bahawa kerja awal untuk menyusun jujukan nukleotida semua gen (diandaikan bahawa terdapat 80 ribu daripadanya dan ia mengandungi kira-kira 3 bilion nukleotida) akan disiapkan dalam 3-6 minggu, i.e. lebih awal daripada yang dirancang.
Laporan itu dibuat dengan kehadiran wakil HUGO, pakar penjujukan terbesar, Dr. R. Waterson. Genom yang ditafsirkan oleh Celera adalah milik seorang lelaki tanpa nama, i.e. mengandungi kedua-dua kromosom X dan Y, dan HUGO menggunakan bahan yang diperoleh daripada orang yang berbeza dalam kajian mereka. Rundingan telah diadakan antara Venter dan HUGO untuk sama-sama menerbitkan keputusan, tetapi mereka berakhir dengan sia-sia kerana perselisihan pendapat mengenai perkara yang harus dianggap sebagai penyelesaian penjujukan genom. Menurut Celera, ini hanya boleh dikatakan jika gen disusun sepenuhnya dan diketahui bagaimana segmen yang ditafsirkan terletak dalam molekul DNA. Keperluan ini dipenuhi oleh keputusan Celera, manakala keputusan HUGO tidak membenarkan kami menentukan dengan jelas kedudukan relatif bahagian yang ditafsirkan. Akibatnya, pada Februari 2001, dalam keluaran khas dua yang paling berwibawa jurnal ilmiah, "Sains" dan "Alam Semula Jadi", hasil kajian "Celera" dan HUGO diterbitkan secara berasingan dan jujukan nukleotida lengkap genom manusia telah dibentangkan, meliputi kira-kira 90% panjangnya.
Kepentingan biologi am penyelidikan yang dijalankan dalam rangka kerja Projek.
Penyelidikan tentang genom manusia telah membawa kepada penjujukan genom sejumlah besar organisma lain yang lebih mudah; Tanpa projek genom, data ini akan diperolehi lebih lama lagi dan dalam jumlah yang lebih kecil. Mereka sedang dihuraikan pada kadar yang semakin meningkat. Kejayaan besar pertama ialah pemetaan lengkap genom bakteria pada tahun 1995. Haemophilus influenzae, kemudian genom lebih daripada 20 bakteria telah diuraikan sepenuhnya, termasuk agen penyebab tuberkulosis, tipus, sifilis, dan lain-lain. Pada tahun 1996, genom sel eukariotik pertama (sel yang mengandungi nukleus yang terbentuk) dipetakan - yis, dan pada tahun 1998 genom organisma multiselular - cacing bulat Caenorhabolits elegans(nematoda). Genom serangga pertama, lalat buah Drosophila, dan tumbuhan pertama, Arabidopsis, telah diuraikan. Pada manusia, struktur dua kromosom terkecil telah pun ditubuhkan - ke-21 dan ke-22. Semua ini mencipta asas untuk penciptaan arah baru dalam biologi - genomik perbandingan.
Pengetahuan tentang genom bakteria, yis dan nematod memberikan ahli biologi evolusi peluang unik perbandingan bukan gen individu atau kumpulan mereka, tetapi keseluruhan genom. Jumlah maklumat yang besar ini baru mula difahami, dan tidak ada keraguan bahawa konsep baru akan muncul dalam evolusi biologi. Oleh itu, banyak gen "peribadi" nematod, berbeza dengan gen yis, kemungkinan besar dikaitkan dengan interaksi antara sel yang mempunyai ciri khusus untuk organisma multisel. Manusia hanya mempunyai 4-5 kali lebih banyak gen daripada nematod; oleh itu, sesetengah gen mereka mesti mempunyai "saudara" antara gen yis dan cacing yang kini diketahui, yang memudahkan pencarian gen manusia yang baru. Fungsi gen nematod yang tidak diketahui adalah lebih mudah untuk dikaji berbanding gen manusia yang serupa: ia adalah mudah untuk membuat perubahan (mutasi) di dalamnya atau melumpuhkannya, sambil menjejaki perubahan dalam sifat organisma secara serentak. Setelah mengenal pasti peranan biologi produk gen dalam cacing, adalah mungkin untuk mengekstrapolasi data ini kepada manusia. Pendekatan lain adalah untuk menyekat aktiviti gen menggunakan perencat tertentu dan memantau perubahan dalam tingkah laku badan.
Persoalan tentang hubungan antara kawasan pengekodan dan bukan pengekodan dalam genom kelihatan sangat menarik. Seperti yang ditunjukkan oleh analisis komputer, C.elegan lebih kurang saham sama rata– 27 dan 26%, masing-masing, diduduki dalam genom oleh ekson (kawasan gen di mana maklumat tentang struktur protein atau RNA direkodkan) dan intron (kawasan gen yang tidak membawa maklumat sedemikian dan dikeluarkan. semasa pembentukan RNA matang). Baki 47% genom terdiri daripada ulangan, kawasan intergenik, dsb., i.e. pada DNA dengan fungsi yang tidak diketahui. Membandingkan data ini dengan genom yis dan genom manusia, kita akan melihat bahawa perkadaran kawasan pengekodan setiap genom berkurangan secara mendadak semasa evolusi: dalam yis ia sangat tinggi, pada manusia ia sangat kecil. Terdapat paradoks: evolusi eukariota dari bentuk yang lebih rendah ke yang lebih tinggi dikaitkan dengan "pencairan" genom - setiap unit panjang DNA terdapat segala-galanya kurang maklumat tentang struktur protein dan RNA dan lebih banyak maklumat "tentang apa-apa", sebenarnya tidak difahami dan tidak dibaca oleh kami. Bertahun-tahun yang lalu F. Crick, salah seorang pengarang “ heliks berganda” - Model DNA, - menggelar DNA ini sebagai “mementingkan diri sendiri” atau “sampah”. Ada kemungkinan bahawa beberapa bahagian DNA manusia benar-benar tergolong dalam jenis ini, tetapi kini jelas bahawa bahagian utama DNA "mementingkan diri sendiri" dipelihara semasa evolusi dan juga meningkat, i.e. atas sebab tertentu ia memberikan kelebihan evolusi kepada pemiliknya. Tiada penjelasan untuk fenomena ini pada masa ini wujud, dan tanpa analisis terperinci Adalah mustahil untuk memberi mereka urutan nukleotida DNA genomik.
Satu lagi keputusan penting, yang mempunyai kepentingan biologi umum (dan praktikal) - kebolehubahan genom. Secara umumnya, genom manusia sangat terpelihara. Mutasi di dalamnya boleh merosakkannya, dan kemudian membawa kepada satu atau lain kecacatan atau kematian organisma, atau menjadi neutral. Yang terakhir ini tidak tertakluk kepada pemilihan kerana mereka tidak mempunyai manifestasi fenotip. Walau bagaimanapun, mereka boleh merebak dalam populasi, dan jika bahagian mereka melebihi 1%, maka mereka bercakap tentang polimorfisme (kepelbagaian) genom. Terdapat banyak kawasan dalam genom manusia yang berbeza dengan hanya satu atau dua nukleotida, tetapi diteruskan dari generasi ke generasi. Di satu pihak, fenomena ini menghalang penyelidik, kerana dia perlu memikirkan sama ada terdapat polimorfisme sebenar atau adakah ia hanya ralat penjujukan, dan sebaliknya, ia mewujudkan peluang unik untuk pengenalpastian molekul organisma individu. . Dari sudut pandangan teori, kebolehubahan genomik menyediakan asas untuk genetik populasi, yang sebelum ini berdasarkan data genetik dan statistik semata-mata.
Aplikasi praktikal.
Kedua-dua saintis dan masyarakat meletakkan harapan terbesar mereka pada kemungkinan menggunakan hasil penjujukan genom manusia untuk merawat penyakit genetik. Sehingga kini, banyak gen telah dikenal pasti di dunia yang bertanggungjawab untuk banyak penyakit manusia, termasuk yang serius seperti penyakit Alzheimer, cystic fibrosis, distrofi otot Duchenne, Huntington's chorea, kanser payudara dan ovari keturunan. Struktur gen ini telah diuraikan sepenuhnya, dan mereka sendiri telah diklon. Pada tahun 1999, struktur kromosom 22 telah ditubuhkan dan fungsi separuh daripada gennya ditentukan. Kecacatan pada mereka dikaitkan dengan 27 pelbagai penyakit, termasuk skizofrenia, leukemia myeloid dan trisomi 22 - punca kedua paling biasa pengguguran spontan. yang paling banyak dengan cara yang cekap Rawatan untuk pesakit sedemikian adalah untuk menggantikan gen yang rosak dengan yang sihat. Untuk melakukan ini, pertama sekali, adalah perlu untuk mengetahui penyetempatan gen yang tepat dalam genom, dan kedua, supaya gen itu masuk ke dalam semua sel badan (atau sekurang-kurangnya majoriti), dan ini adalah apabila teknologi moden mustahil. Di samping itu, walaupun gen yang dikehendaki yang memasuki sel serta-merta diiktiraf olehnya sebagai asing, dan ia cuba menyingkirkannya. Oleh itu, hanya sebahagian daripada sel yang boleh "sembuh" dan hanya sementara. Satu lagi halangan serius untuk penggunaan terapi gen adalah sifat multigenik banyak penyakit, i.e. pengkondisian mereka oleh lebih daripada satu gen. Jadi, aplikasi massa terapi gen tidak mungkin dijangka dalam masa terdekat, walaupun contoh yang berjaya jenis ini sudah wujud: adalah mungkin untuk mencapai kelegaan yang ketara dalam keadaan kanak-kanak yang mengalami kekurangan imuno kongenital yang teruk dengan memperkenalkan salinan normal gen yang rosak ke dalam dirinya. Penyelidikan dalam bidang ini sedang dijalankan di seluruh dunia, dan mungkin kemajuan akan dicapai lebih awal daripada jangkaan, seperti yang berlaku dengan penjujukan genom manusia.
Satu lagi aplikasi penting hasil penjujukan ialah pengenalpastian gen baru dan pengenalpastian gen di antaranya yang menyebabkan kecenderungan kepada penyakit tertentu. Oleh itu, terdapat bukti kecenderungan genetik kepada alkoholisme dan ketagihan dadah telah ditemui tujuh gen, kecacatan yang membawa kepada penyalahgunaan bahan. Ini akan membolehkan diagnosis awal (dan juga pranatal) penyakit yang kecenderungannya telah ditetapkan.
Fenomena lain sudah pasti akan mendapat aplikasi yang luas: didapati bahawa alel yang berbeza dari gen yang sama boleh menyebabkan reaksi yang berbeza orang terhadap dadah. Syarikat farmaseutikal merancang untuk menggunakan data ini untuk menghasilkan ubat yang dimaksudkan kumpulan yang berbeza pesakit. Ini akan membantu mengelakkan kesan sampingan terapi, mengurangkan berjuta-juta kos. Satu cabang baru sedang muncul - farmakogenetik, yang mengkaji bagaimana ciri tertentu struktur DNA boleh menjejaskan keberkesanan rawatan. Pendekatan baru sepenuhnya untuk mencipta ubat-ubatan, berdasarkan penemuan gen baru dan kajian produk protein mereka. Ini akan membolehkan kita beralih daripada kaedah "percubaan dan kesilapan" yang tidak berkesan kepada sintesis bahan ubatan yang disasarkan.
Aspek praktikal penting bagi kebolehubahan genom ialah kemungkinan pengenalan individu. Kepekaan kaedah "cap jari genomik" adalah sedemikian rupa sehingga satu titisan darah atau air liur, satu rambut cukup untuk mewujudkan hubungan kekeluargaan antara orang dengan kepastian mutlak (99.9%). Selepas penjujukan genom manusia, kaedah ini, yang kini menggunakan bukan sahaja penanda khusus dalam DNA, tetapi juga polimorfisme nukleotida tunggal, akan menjadi lebih dipercayai. Kebolehubahan genom menimbulkan arah genomik - etnogenomik. Kumpulan etnik, mendiami Bumi, mempunyai beberapa ciri genetik kumpulan yang menjadi ciri kumpulan etnik tertentu. Maklumat yang diperoleh dalam beberapa kes boleh mengesahkan atau menyangkal hipotesis tertentu yang beredar dalam disiplin seperti etnografi, sejarah, arkeologi, dan linguistik. Lagi satu arah yang menarik– paleogenomik, yang berkaitan dengan kajian DNA purba yang diekstrak daripada jenazah yang ditemui di tanah perkuburan dan kuburan.
Masalah dan kebimbangan.
Pembiayaan "perlumbaan genomik" dan penyertaan beribu-ribu pakar di dalamnya adalah berdasarkan terutamanya pada postulat bahawa menguraikan urutan nukleotida DNA boleh menyelesaikan masalah asas genetik. Ternyata, bagaimanapun, hanya 30% daripada genom manusia mengodkan protein dan terlibat dalam pengawalan tindakan gen semasa pembangunan. Apakah fungsi bahagian DNA yang tinggal dan sama ada ia wujud sama sekali masih tidak jelas. Kira-kira 10% daripada genom manusia terdiri daripada apa yang dipanggil Alu-elemen 300 bp panjang. Mereka muncul entah dari mana semasa evolusi di kalangan primata, dan hanya di kalangan mereka. Sebaik sahaja mereka mencapai manusia, mereka membiak hingga setengah juta salinan dan diedarkan di sepanjang kromosom dengan cara yang paling pelik, sama ada membentuk rumpun atau gen yang mengganggu.
Masalah lain berkaitan dengan kawasan pengekodan DNA itu sendiri. Dalam analisis komputer molekul semata-mata, peningkatan bahagian ini kepada pangkat gen memerlukan pematuhan dengan kriteria formal semata-mata: sama ada ia mengandungi tanda baca yang diperlukan untuk membaca maklumat, atau tidak, i.e. sama ada produk gen tertentu disintesis pada mereka dan apakah itu. Pada masa yang sama, peranan, masa dan tempat tindakan kebanyakan gen berpotensi masih tidak jelas. Menurut Venter, ia mungkin mengambil masa sekurang-kurangnya seratus tahun untuk menentukan fungsi semua gen.
Seterusnya, adalah perlu untuk bersetuju tentang apa yang perlu dimasukkan ke dalam konsep "genom". Selalunya, genom hanya difahami sebagai bahan genetik seperti itu, tetapi dari sudut pandangan genetik dan sitologi, ia bukan sahaja terdiri daripada struktur unsur DNA, tetapi juga sifat hubungan antara mereka, yang menentukan bagaimana gen akan berfungsi dan bagaimana mereka akan pergi perkembangan individu di bawah keadaan persekitaran tertentu. Dan akhirnya, kita tidak boleh gagal untuk menyebut fenomena yang dipanggil "keturunan bukan kanonik," yang menarik perhatian berkaitan dengan wabak "penyakit lembu gila". Penyakit ini mula merebak di UK pada 1980-an selepas lembu diberi makan kepala biri-biri yang diproses, termasuk biri-biri yang menderita scrapie, penyakit neurodegeneratif. Penyakit serupa mula berjangkit kepada orang yang memakan daging lembu yang sakit. Telah didapati bahawa agen berjangkit bukanlah DNA atau RNA, tetapi prion (dari prion Inggeris, zarah berjangkit protein, zarah berjangkit protein). Menembusi ke dalam sel perumah, mereka mengubah konformasi protein analog biasa. Fenomena prion juga telah ditemui dalam yis.
Oleh itu, percubaan untuk mempersembahkan penyahkodan genom sebagai tugas saintifik dan teknikal semata-mata tidak dapat dipertahankan. Sementara itu, pandangan ini dipromosikan secara meluas walaupun oleh saintis yang sangat berwibawa. Ya, dalam buku Kod kod (Kod Kod, 1993) W. Gilbert, yang menemui salah satu kaedah penjujukan DNA, berpendapat bahawa menentukan jujukan nukleotida semua DNA manusia akan membawa kepada perubahan dalam idea kita tentang diri kita. “Tiga bilion pasangan asas boleh disimpan pada satu CD. Dan sesiapa sahaja boleh mengeluarkan cakera mereka dari poket mereka dan berkata: "Ini dia - saya!" Sementara itu, adalah perlu untuk mengetahui bukan sahaja susunan pautan dalam rantai DNA dan bukan sahaja kedudukan relatif gen dan fungsinya. Adalah penting untuk mengetahui sifat hubungan antara mereka, yang menentukan bagaimana gen akan berfungsi di bawah keadaan tertentu - dalaman dan luaran. Lagipun, banyak penyakit manusia disebabkan bukan oleh kecacatan pada gen itu sendiri, tetapi oleh pelanggaran tindakan yang diselaraskan dan sistem pengawalseliaan mereka.
Penyahkodan genom manusia dan organisma lain bukan sahaja membawa kepada kemajuan dalam banyak bidang biologi, tetapi juga telah menimbulkan banyak masalah. Salah satunya ialah idea "pasport genetik", yang akan menunjukkan sama ada orang tertentu membawa mutasi yang berbahaya kepada kesihatan. Maklumat ini dijangka sulit, tetapi tiada siapa yang boleh menjamin maklumat itu tidak akan bocor. Terdapat preseden untuk "ujian genetik" orang Afrika Amerika untuk menentukan sama ada mereka membawa gen hemoglobin, yang mengandungi mutasi yang berkaitan dengan anemia sel sabit. Mutasi ini adalah perkara biasa di Afrika di kawasan malaria, dan jika ia terdapat dalam satu alel, ia menyediakan pembawa dengan ketahanan terhadap malaria, manakala mereka yang mempunyai dua salinan (homozigot) mati pada peringkat awal kanak-kanak. Pada tahun 1972, sebagai sebahagian daripada perjuangan menentang malaria, lebih daripada $100 juta telah dibelanjakan untuk "pensijilan", dan selepas program itu selesai, ternyata a) orang yang sihat, pembawa mutasi, kompleks rasa bersalah timbul, orang-orang ini berasa tidak normal, dan yang lain mula menganggap mereka seperti itu; b) bentuk pengasingan baru telah muncul - keengganan untuk mengupah. Pada masa ini, beberapa syarikat insurans menyediakan dana untuk ujian DNA untuk beberapa penyakit, dan jika ibu bapa masa depan, pembawa gen yang tidak diingini, tidak bersetuju untuk menamatkan kehamilan dan mereka mempunyai anak yang sakit, mereka mungkin dinafikan sokongan sosial.
Bahaya lain ialah eksperimen dalam transgenosis, penciptaan organisma dengan gen yang dipindahkan daripada spesies lain, dan penyebaran "chimera" sedemikian dalam persekitaran. Di sini, ketakterbalikan proses menimbulkan bahaya tertentu. Jika loji janakuasa nuklear boleh ditutup, penggunaan DDT dan aerosol boleh dihentikan, kemudian dikeluarkan dari sistem biologi organisma baru adalah mustahil. Gen mudah alih yang ditemui oleh McClintock dalam tumbuhan dan plasmid mikroorganisma yang serupa dihantar secara semula jadi dari spesies ke spesies. Gen yang berbahaya atau bermanfaat (dari sudut pandangan manusia) untuk satu spesies boleh, dari masa ke masa, berpindah ke spesies lain dan mengubah sifat tindakannya dengan cara yang tidak dapat diramalkan. Di Amerika, syarikat bioteknologi berkuasa Monsanto telah mencipta varieti kentang yang selnya termasuk gen bakteria yang mengekodkan toksin yang membunuh larva kumbang kentang Colorado. Didakwa protein ini tidak berbahaya kepada manusia dan haiwan, tetapi negara Eropah tidak memberi kebenaran untuk menanam varieti ini di negara mereka. Kentang diuji di Rusia. Eksperimen dengan tumbuhan transgenik memerlukan pengasingan ketat plot dengan tumbuhan eksperimen, tetapi dalam bidang yang dilindungi dengan tumbuhan transgenik di Institut Phytopathology di Golitsyn berhampiran Moscow, pekerja penyelenggaraan menggali kentang dan segera memakannya. Di selatan Perancis, gen rintangan serangga telah melompat dari tanaman ke rumpai. Satu lagi contoh transgenosis berbahaya ialah pelepasan salmon ke dalam tasik Scotland, yang menambah berat badan 10 kali lebih cepat daripada salmon biasa. Terdapat bahaya bahawa salmon ini akan berakhir di lautan dan mengganggu keseimbangan populasi sedia ada spesies ikan lain.
Genom manusia mengandungi kira-kira 38,000 gen, yang mewakili unit keturunan individu.
Garisan sel germinal (seks, pembiakan, sel germanium) mengandungi satu salinan bahan genetik dan dipanggil haploid, sel somatik (sel garis bukan kuman) mengandungi dua salinan lengkap dan dipanggil diploid. Gen digabungkan menjadi segmen panjang asid deoksiribonukleik (DNA), yang, semasa pembahagian sel, bersama-sama dengan protein, membentuk struktur kompleks padat - kromosom. Setiap sel somatik mempunyai 46 kromosom (22 pasang autosom, atau kromosom bukan jantina, dan 1 pasang kromosom seks - XY pada lelaki dan XX pada wanita). Sel seks (telur, sperma) mengandungi 22 autosom, 1 kromosom seks, iaitu 23 kromosom secara keseluruhan. Percantuman sel-sel kuman membawa kepada pembentukan set diploid lengkap 46 kromosom, yang sekali lagi direalisasikan dalam sel-sel embrio.
Molekul genom manusia mempunyai tiga blok struktur: gula pentosa (deoksiribosa), kumpulan fosfat dan empat jenis bes nitrogen - purin (adenine dan guanin) atau pirimidin (timin dan sitosin). Empat jenis asas ini membentuk abjad kod genetik. Subunit utama DNA ialah nukleotida, yang terdiri daripada molekul deoksiribosa, satu kumpulan fosfat dan satu bes. Mereka bergabung dalam urutan tertentu - adenine dengan timin, sitosin dengan guanin. Urutan panjang yang berbeza kod asas nukleotida untuk protein yang berbeza. Triplet individu sepadan dengan pemindahan RNA, setiap satunya sepadan dengan asid amino tertentu. Setiap genom manusia mengandungi kira-kira 3 bilion pasangan nukleotida, yang bersama-sama mengekod keseluruhan set protein dalam tubuh manusia.
Hanya sebahagian kecil DNA sel (10% daripada jumlah kandungan DNA) yang berfungsi secara aktif semasa tempoh aktif metabolik kitaran sel. Sesetengah bahan genetik yang tidak aktif mungkin ada penting untuk mengawal selia ekspresi gen atau untuk mengekalkan struktur dan fungsi kromosom.
Kebanyakan genom manusia terkandung dalam nukleus sel. Mitokondria ( organel sel, menghasilkan tenaga) mengandungi genom unik mereka sendiri. Kromosom mitokondria mempunyai molekul DNA pekeliling dua untai, termasuk 16,000 pasangan asas DNA, urutannya ditafsirkan sepenuhnya. Protein yang membentuk mitokondria boleh disintesis dalam mitokondria sendiri berdasarkan maklumat yang terkandung dalam genom mitokondria, atau disintesis berdasarkan maklumat genetik yang terkandung dalam genom nuklear manusia dan diangkut ke organel. Semua mitokondria diturunkan daripada ibu (kerana sperma biasanya tidak meneruskan mitokondria kepada telur yang disenyawakan); mitokondria dengan genom yang berbeza dalam sel yang sama mewakili keturunan sel ibu yang berbeza dari mana ia berasal.
Struktur dan fungsi genom manusia
Tujuan utama genom manusia ialah penghasilan protein struktur dan enzim. Proses ini melibatkan satu siri peringkat yang dipanggil transkripsi, pemprosesan dan terjemahan. Untuk memindahkan maklumat, molekul DNA asal "terurai" untuk membentuk DNA untai tunggal, dengan satu atau untaian lain (atau kedua-duanya) bertindak sebagai templat untuk penyalinan. Jika ini berlaku semasa replikasi sel, setiap helai DNA akan disalin untuk membentuk dua molekul DNA anak dua untai baru; proses ini dipanggil replikasi. Jika proses itu berlaku semasa tempoh kitaran sel yang aktif secara metabolik, hanya satu untai DNA disalin untuk membentuk RNA utusan untai tunggal (mRNA); proses ini dipanggil transkripsi. Kod bagi setiap gen ditranskripsikan daripada DNA kepada mRNA, termasuk maklumat yang diperlukan untuk kod asid amino (ekson) dan jujukan nukleotida bukan pengekodan yang terletak di antara ekson (intron).
MRNA yang terhasil berbeza daripada DNA kerana ia mengandungi ribosa bukannya deoksiribosa dan urasil asas pirimidin dan bukannya timin. Sebelum meninggalkan nukleus, transkrip mRNA utama menjalani pemprosesan, di mana kawasan intron bukan pengekodan dikeluarkan daripada molekul mRNA, dan kawasan pengekodan-ekson yang selebihnya digabungkan menjadi satu rantai untuk membentuk mRNA berfungsi, yang kemudiannya berhijrah ke dalam sitoplasma. , tempat terjemahan berlaku. Semasa terjemahan, mRNA mengawal pengeluaran protein di ribosom dengan membentuk ikatan pelengkap antara tiga nukleotida, dipanggil kodon, dan tiga nukleotida tambahan pada molekul RNA pemindahan, dipanggil antikodon. Apabila ribosom bergerak di sepanjang RNA dari kodon ke kodon, enzim menggabungkan asid amino bersebelahan yang terikat pada molekul tRNA untuk membentuk ikatan peptida kovalen. Struktur rantai polipeptida dan akhirnya membentuk protein ditentukan oleh urutan nukleotida mRNA.
"Hari ini, sepuluh tahun selepas selesai Projek Genom Manusia, kita boleh mengatakan: biologi jauh lebih kompleks daripada yang dibayangkan oleh saintis sebelum ini," Erica Check Hayden menulis dalam Nature News edisi 31 Mac dan Nature edisi 1 April.1
Projek Transkripsi genom manusia menjadi salah satu pencapaian saintifik terbesar pada akhir abad kedua puluh. Ada yang membandingkannya dengan Projek Manhattan (program AS untuk membangunkan senjata nuklear) atau program Apollo (berpemandu penerbangan angkasa lepas NASA). Sebelum ini, membaca urutan daripada aksara DNA dianggap sebagai kerja yang membosankan dan susah payah. Hari ini, mentafsir genom adalah sesuatu yang semula jadi. Tetapi dengan kemunculan data baru mengenai genom pelbagai organisma - dari ragi hingga Neanderthal, ia menjadi jelas: "Memandangkan penjujukan dan teknologi canggih lain memberikan kami data baharu, kerumitan biologi semakin berkembang di hadapan mata kami.", tulis Hayden.
Beberapa penemuan adalah sangat mudah. Ahli genetik menjangkakan untuk mencari 100 ribu gen dalam genom manusia, tetapi mereka ternyata kira-kira 21 ribu Tetapi, yang mengejutkan mereka, bersama-sama dengan mereka, saintis juga menemui molekul tambahan lain - faktor transkripsi, RNA kecil, protein pengawalseliaan yang aktif dan. saling berkaitan bertindak mengikut skema, yang tidak sesuai di kepala saya. Hayden membandingkannya dengan set Mandelbrot dalam geometri fraktal, menunjukkan tahap kerumitan yang lebih mendalam dalam sistem biologi.
"Pada mulanya, kami berpendapat bahawa laluan isyarat agak mudah dan mudah, kata Tony Pawson, ahli biologi di Universiti Toronto di Ontario. -Kini kita faham bahawa pemindahan maklumat dalam sel berlaku melalui keseluruhan rangkaian maklumat, dan bukan di sepanjang laluan yang mudah dan berasingan. Rangkaian ini jauh lebih kompleks daripada yang kami sangka."
Hayden mengakui bahawa konsep "DNA sampah" telah hancur berkeping-keping. Mengenai idea bahawa peraturan gen adalah proses langsung dan linear, i.e. gen menyandikan protein pengawalseliaan yang mengawal transkripsi, dia menyatakan: "Hanya sepuluh tahun ke era pasca-genomik dalam biologi telah menghapuskan tanggapan itu." "Wawasan baharu biologi tentang dunia DNA bukan pengekodan, yang pernah dipanggil 'DNA sampah,' adalah menarik dan membingungkan." Jika DNA ini sampah, kenapa? badan manusia menyalin antara 74% dan 93% DNA ini? Banyaknya RNA kecil yang dihasilkan oleh kawasan bukan pengekodan ini dan cara mereka berinteraksi antara satu sama lain mengejutkan kami.
Memahami semua ini menghilangkan beberapa kenaifan awal Projek Penuraian. genom manusia. Para penyelidik bertujuan "membuka misteri segala-galanya daripada evolusi kepada asal usul penyakit". Para saintis berharap untuk mencari penawar untuk kanser dan mengesan laluan evolusi melalui kod genetik. Ini berlaku pada tahun 1990-an. Ahli biologi-matematik dari Universiti Pennsylvania (Philadelphia) Joshua Plotkin berkata: "Kewujudan protein pengawalseliaan yang luar biasa ini menunjukkan betapa naifnya pemahaman kita tentang proses asas, sebagai contoh, bagaimana sel bermula dan berhenti berfungsi.". Pakar genetik Universiti Princeton (New Jersey) Leonid Kruglyak berkata: "Adalah naif untuk berfikir bahawa untuk memahami sebarang proses (sama ada biologi, ramalan cuaca atau apa-apa lagi) anda hanya perlu mengambil sejumlah besar data, menjalankannya melalui program analisis data dan memahami apa yang berlaku semasa proses itu.".
Walau bagaimanapun, sesetengah saintis masih mencari kesederhanaan dalam sistem yang kompleks. Prinsip analisis atas-bawah cuba mencipta model di mana titik rujukan asas sesuai.
Disiplin baru" Biologi sistem" direka untuk membantu saintis memahami kerumitan sistem sedia ada. Ahli biologi berharap dengan menyenaraikan semua interaksi dalam litar protein p53, sel, atau antara sekumpulan sel, dan kemudian menterjemahkannya ke dalam model pengiraan, mereka akan dapat memahami bagaimana semua sistem biologi berfungsi.
Dalam tahun-tahun pasca genomik yang bergelora, ahli biologi sistem telah melancarkan sejumlah besar projek yang dibina berdasarkan strategi ini: mereka telah cuba mencipta model biologi sistem seperti sel yis, E. coli, hati, dan juga "manusia maya. .” Pada masa ini, semua usaha ini telah mencapai sekatan jalan yang sama: adalah mustahil untuk mengumpul semua maklumat yang berkaitan tentang setiap interaksi yang disertakan dalam model.
Cara protein p53 berfungsi, yang Hayden bercakap tentang, adalah contoh yang indah kerumitan yang tidak dijangka. Ditemui pada tahun 1979, p53 pada mulanya dianggap sebagai promoter kanser dan bukannya penindas kanser. "Beberapa protein lain telah dikaji dengan lebih teliti daripada p53.", kata saintis itu. "Bagaimanapun, sejarah protein p53 ternyata jauh lebih kompleks daripada yang kita fikirkan pada mulanya.". Dia mendedahkan beberapa butiran:
"Penyelidik kini tahu bahawa p53 mengikat beribu plot DNA, dan beberapa kawasan ini adalah beribu-ribu pasangan asas gen lain. Protein ini mempengaruhi pertumbuhan sel, kematian dan struktur, serta pembaikan DNA. Ia juga mengikat kepada pelbagai protein lain yang boleh mengubah aktivitinya, dan interaksi protein-protein ini boleh diselaraskan dengan penambahan pengubah kimia seperti kumpulan fosfat dan metil. Melalui proses yang dikenali sebagai penyambungan alternatif, protein p53 boleh memperoleh sembilan bentuk yang berbeza , setiap satunya mempunyai aktiviti dan pengubah kimia sendiri. Ahli biologi kini memahami bahawa protein p53 terlibat dalam proses bukan kanser seperti kesuburan dan kehidupan awal. perkembangan embrio. By the way, ia benar-benar buta huruf untuk cuba memahami protein p53 sahaja. Dalam hal ini, ahli biologi telah beralih kepada mengkaji interaksi protein p53, seperti yang ditunjukkan dalam gambar dengan kotak, bulatan dan anak panah yang secara simbolik menggambarkan labirin kompleks sambungannya.
Teori interaksi - paradigma baru, yang menggantikan satu arah gambar rajah linear"gen - RNA - protein". Skim ini sebelum ini dipanggil "Dogma Pusat" genetik. Kini semuanya kelihatan sangat hidup dan bertenaga, dengan penganjur, penyekat dan interaksi, rantai maklum balas, proses suapan ke hadapan dan "laluan transduksi isyarat yang tidak dapat difahami." "Kisah protein p53 adalah satu lagi contoh bagaimana pemahaman ahli biologi berubah dengan kemunculan teknologi era genomik.", kata Hayden. "Ia mengembangkan pemahaman kami tentang interaksi protein yang diketahui, dan mengganggu idea lama tentang laluan transduksi isyarat di mana protein seperti p53 mencetuskan set urutan hiliran tertentu."
Ahli biologi telah membuat kesilapan biasa dalam berfikir bahawa lebih banyak maklumat akan membawa lebih banyak pemahaman. Sesetengah saintis masih terus bekerja mengikut jenis "bottom-up", percaya bahawa asas segala-galanya adalah kesederhanaan, yang lambat laun akan didedahkan. "Orang sudah biasa merumitkan perkara", kata seorang penyelidik dari bandar Berkeley. Pada masa yang sama, seorang lagi saintis yang merancang untuk mendedahkan genom kulat yis dan hubungannya menjelang 2007, terpaksa menangguhkan rancangannya selama beberapa dekad. Jelas bahawa pemahaman kita masih sangat dangkal. Hayden membuat kesimpulan: "cantik dan struktur misteri kerumitan biologi (seperti yang kita lihat dalam set Mandelbrot) menunjukkan sejauh mana ia tidak dapat diselesaikan.".
Tetapi dalam mendedahkan kerumitan ada juga sisi terang. Mina Bissell, seorang penyelidik kanser di Lawrence Berkeley National Laboratory di California, mengakui: "Ramalan bahawa Projek menguraikan genom manusia akan membantu saintis menyelesaikan semua misteri, mendorong saya berputus asa." Hayden berkata: "Orang terkenal berkata bahawa selepas projek ini semuanya akan menjadi jelas kepada mereka". Tetapi pada hakikatnya, Projek hanya membantu untuk memahaminya "Biologi adalah sains yang kompleks, dan itulah yang menjadikannya cantik.".
Pautan:
- Erica Check Hayden, "Genom Manusia dalam Sepuluh Tahun: Kehidupan Sangat Rumit," Majalah mengarang bersama ~270 saintis yang bekerja di bawah seliaannya. Kerja itu, yang dijalankan oleh Konsortium Penjujukan Genom Manusia Antarabangsa (IHGSC), diterbitkan dalam jurnal 464, 664-667 (1 April 2010) | doi:10.1038/464664a.
Siapa yang meramalkan kerumitan: Darwinian atau penyokong Reka Bentuk Pintar? Anda sudah tahu jawapan kepada soalan ini. Darwinis telah menunjukkan berkali-kali bahawa mereka salah dalam isu ini. Pada pendapat mereka, kehidupan mempunyai asal usul yang mudah (Kolam kecil yang hangat di mana impian Darwin terapung). Sebelum ini, mereka percaya bahawa protoplasma adalah bahan mudah, dan protein adalah struktur mudah, dan genetik adalah sains mudah (ingat pangene Darwin?). Mereka percaya bahawa pemindahan maklumat genetik dan transkripsi DNA adalah proses mudah (Central Dogma), dan tidak ada yang rumit tentang asal usul kod genetik (dunia RNA, atau hipotesis "kes beku" Crick). Genomik perbandingan, mereka percaya, adalah cabang genetik mudah yang membolehkan kita mengesan evolusi kehidupan melalui gen. Kehidupan, pada pendapat mereka, adalah tempat pembuangan sampah mutasi dan pemilihan semula jadi ( organ vestigial, DNA sampah). Ia mudah, ringkas, ringkas. Simpletons...