Drosophila genomunun şifresi çözülürken şunu tespit edildi. Tıbbi genetik
DNA yapısının keşfinin 50. yıl dönümü anısına
AV. Zelenin
BİTKİ GENOMU
AV Zelenin
Zelenin Aleksandr Vladimiroviç- Biyolojik Bilimler Doktoru,
Moleküler Biyoloji Enstitüsü Laboratuvar Başkanı adını almıştır. V.A. Engelhardt RAS.
İnsan Genomu programının etkileyici başarılarının yanı sıra ultra küçük (virüsler), küçük (bakteri, maya) ve orta (yuvarlak kurt, Drosophila) genomlarının şifresini çözme çalışmalarının başarısı, büyük ve ekstra büyük bitki genomlarının geniş ölçekli bir çalışması. Acil bir ihtiyaç Ekonomik açıdan en önemli bitkilerin genomlarının ayrıntılı bir şekilde incelenmesi, 1997 yılında ABD'de düzenlenen bitki genomiği konulu bir toplantıda vurgulanmıştır. O zamandan bu yana geçen yıllarda bu alanda şüphesiz başarılar elde edildi. 2000 yılında, küçük hardal - Arabidopsis genomunun tam dizilimi (tüm nükleer DNA'nın nükleotidlerinin doğrusal dizisinin oluşturulması) hakkında, 2001 yılında pirinç genomunun ön (taslak) dizilimi üzerine bir yayın çıktı. Büyük ve ultra büyük bitki genomlarının (mısır, çavdar, buğday) dizilenmesine yönelik çalışmalar defalarca rapor edildi, ancak bu mesajlar spesifik bilgi içermiyordu ve daha ziyade niyet beyanıydı.
Bitki genomlarının şifresinin çözülmesinin bilim ve uygulama açısından geniş ufuklar açması bekleniyor. Öncelikle yeni genlerin ve bunların genetik düzenleme zincirinin tanımlanması, biyoteknolojik yaklaşımların kullanılmasıyla bitki verimliliğini önemli ölçüde artıracaktır. Bitki organizmasının üreme ve üretkenlik, değişkenlik süreçleri, olumsuz çevresel faktörlere karşı direnç ve ayrıca kromozomların homolog eşleşmesi gibi önemli işlevlerinden sorumlu genlerin keşfi, izolasyonu, çoğaltılması (klonlanması) ve dizilenmesi, ortaya çıkmasıyla ilişkilidir. Seçim sürecini iyileştirmeye yönelik yeni fırsatlar. Son olarak, izole edilmiş ve klonlanmış genler, temelde yeni özelliklere sahip transgenik bitkiler elde etmek ve gen aktivitesini düzenleme mekanizmalarını analiz etmek için kullanılabilir.
Bitki genomlarının incelenmesinin önemi, şu ana kadar lokalize edilmiş, klonlanmış ve dizilenmiş bitki genlerinin sayısının az olması ve çeşitli tahminlere göre 800 ila 1200 arasında değişmesi gerçeğiyle de vurgulanmaktadır. Bu, aşağıdakilerden 10-15 kat daha azdır: örneğin insanlarda.
Her ne kadar pirinç genomu üzerine yoğun araştırmalar Japonya'da yapılsa da, bitki genomlarına ilişkin geniş ölçekli çalışmalarda şüphesiz lider ABD olmaya devam ediyor. son yıllar ve Çin'de. Arabidopsis genomunun çözülmesinde ABD laboratuvarlarının yanı sıra Avrupalı araştırma grupları da aktif rol aldı. Amerika Birleşik Devletleri'nin görünürdeki liderliği, Avrupalı bilim adamları arasında ciddi endişelere neden oluyor ve bunu, 2000 yılının sonlarında Fransa'da düzenlenen "Postgenomik Çağda Genomik Beklentileri" başlıklı anlamlı bir toplantıda açıkça ifade ettiler. Avrupalı bilim adamlarına göre, Amerikan biliminin tarımsal bitkilerin genomlarını inceleme ve transgenik bitki formları yaratma konusundaki ilerlemesi, çok da uzak olmayan bir gelecekte (yirmi ila elli yıl arası), nüfus artışının insanlığı yeni bir durumla karşı karşıya bırakacağı tehdidini taşıyor. Genel gıda krizi, Avrupa ekonomisi ve bilimi Amerikan teknolojisine bağımlı hale gelecektir. Bu bağlamda, bitki genomlarının (Plantgene) incelenmesi için bir Fransız-Alman bilimsel programının oluşturulduğu ve buna önemli miktarda fon yatırıldığı açıklandı.
Açıkçası, bitki genomiği sorunları Rus bilim adamlarının ve bilim organizatörlerinin yanı sıra yönetim organlarının da yakından ilgisini çekmelidir, çünkü burada sadece bilimsel prestijden değil, aynı zamanda ülkenin ulusal güvenliğinden de bahsediyoruz. Bir veya yirmi yıl içinde gıda en önemli stratejik kaynak haline gelecektir.
BİTKİ GENOMLARININ ÇALIŞMASINDAKİ ZORLUKLAR
Bitki genomlarını incelemek, insan ve diğer hayvanların genomunu incelemekten çok daha karmaşık bir iştir. Bunun nedeni aşağıdaki durumlardan kaynaklanmaktadır:
devasa genom boyutlarına ulaşıyor bireysel türler onlarca ve hatta yüz milyarlarca nükleotid çiftinden (bp) oluşan bitkiler: ekonomik açıdan önemli başlıca bitkilerin (pirinç, keten ve pamuk hariç) genomları ya insan genomuna yakındır ya da onu birçok kez aşar (tablo);KROMOZOMAL GENOM ÇALIŞMALARIFarklı bitkilerde kromozom sayısındaki keskin dalgalanmalar - bazı türlerde ikiden diğerlerinde birkaç yüze kadar ve genom boyutu ile kromozom sayısı arasında kesin bir korelasyon belirlemek mümkün değildir;
Benzer ancak aynı olmayan genomlara (allopoliploidi) sahip çok sayıda poliploid (hücre başına ikiden fazla genom içeren) oluşur;
Bitki genomlarının (% 99'a kadar) "önemsiz" (kodlamayan, yani gen içermeyen) DNA ile aşırı zenginleşmesi, bu, sıralı parçaların ortak bir büyük parçaya birleştirilmesini (doğru sırayla düzenlenmesini) büyük ölçüde karmaşıklaştırır. boyutlu DNA bölgesi (devamlı);
Kromozomların eksik (Drosophila, insan ve fare genomlarıyla karşılaştırıldığında) morfolojik, genetik ve fiziksel haritalaması;
İnsan ve hayvan kromozomları için genellikle bu amaç için kullanılan yöntemleri (akış sıralama ve hücre hibritlerinin kullanımı) kullanarak tek tek kromozomları saf bir biçimde izole etmenin pratik imkansızlığı;
Hibridizasyon kullanarak bireysel genlerin kromozomal haritalamasının (kromozom üzerindeki konumunun belirlenmesi) zorluğu yerinde hem bitki genomlarındaki yüksek “önemsiz” DNA içeriği hem de bitki kromozomlarının yapısal organizasyonunun özellikleri nedeniyle;
Bitkilerin hayvanlardan evrimsel uzaklığı, bitki genomlarını incelemek için insanların ve diğer hayvanların genomunun dizilenmesinden elde edilen bilgilerin kullanımını ciddi şekilde zorlaştırmaktadır;
Çoğu bitkinin uzun üreme süreci, genetik analizlerini önemli ölçüde yavaşlatır.
Genel olarak genomların ve özel olarak bitkilerin kromozomal (sitogenetik) çalışmalarının uzun bir geçmişi vardır. “Genom” terimi, 20. yüzyılın ilk çeyreğinde, yani DNA'nın genetik bilgi taşıyıcısı olarak rolünün ortaya çıkmasından çok önce, içerdikleri genlere sahip haploid (tek) kromozom setini belirtmek için önerildi.
Yeni, daha önce incelenmemiş genetik olarak çok hücreli bir organizmanın genomunun tanımı genellikle kromozomlarının (karyotip) tamamının incelenmesi ve tanımlanmasıyla başlar. Bu, elbette, büyük bir kısmı henüz incelenmeye bile başlamamış olan bitkiler için de geçerlidir.
Kromozomal çalışmaların başlangıcında, ilgili bitki türlerinin genomları, türler arası melezlerde mayotik konjugasyonun (homolog kromozomların birleşmesi) analizine dayanarak karşılaştırıldı. Geçtiğimiz 100 yılda kromozomal analizin yetenekleri çarpıcı biçimde genişledi. Günümüzde bitki genomlarını karakterize etmek için daha ileri teknolojiler kullanılmaktadır: diferansiyel boyama olarak adlandırılan çeşitli seçenekler morfolojik özellikler bireysel kromozomları tanımlamak; hibridizasyon yerinde, belirli genlerin kromozomlar üzerinde lokalize edilmesini mümkün kılmak; hücresel proteinlerin biyokimyasal çalışmaları (elektroforez ve immünokimya) ve son olarak kromozomal DNA'nın dizilimine kadar analizine dayanan bir dizi yöntem.
Pirinç. 1. Tahılların karyotipleri: a - çavdar (14 kromozom), b - makarnalık buğday (28 kromozom), c - yumuşak buğday (42 kromozom), d - arpa (14 kromozom)Başta buğday ve çavdar olmak üzere tahılların karyotipleri uzun yıllardır araştırılmaktadır. İlginçtir ki farklı türler Bu bitkilerde kromozom sayısı değişiklik gösterir ancak her zaman yedinin katıdır. Bireysel tahıl türleri, karyotiplerine göre güvenilir bir şekilde tanımlanabilir. Örneğin çavdar genomu, uçlarında yoğun renkli heterokromatik bloklar bulunan, genellikle segmentler veya bantlar olarak adlandırılan yedi çift büyük kromozomdan oluşur (Şekil 1a). Buğday genomları zaten 14 ve 21 çift kromozoma sahiptir (Şekil 1, b, c) ve içlerindeki heterokromatik blokların dağılımı çavdar kromozomlarındaki ile aynı değildir. A, B ve D olarak adlandırılan buğdayın bireysel genomları da birbirinden farklıdır. Kromozom sayısının 14'ten 21'e artması, buğdayın özelliklerinde keskin bir değişikliğe yol açar ve bu da adlarına yansır: durum, durum, durum. veya makarna, buğday ve yumuşak veya ekmek, buğday. Gluten proteinleri için genler içeren D geni, yumuşak buğdayın yüksek pişirme özelliklerinin kazanılmasından sorumludur, bu da hamura çimlenme adı verilen özelliği verir. Ekmeklik buğdayın seleksiyon geliştirilmesinde özel önem verilen şey bu genomdur. Başka bir 14 kromozomlu tahıl olan arpa (Şekil 1, d) genellikle ekmek yapımında kullanılmaz, ancak bira ve viski gibi yaygın ürünlerin üretiminde ana hammadde olarak hizmet eder.
En önemli tarım türlerinin, örneğin buğdayın yabani akrabaları Aegilops'un kalitesini artırmak için kullanılan bazı yabani bitkilerin kromozomları yoğun bir şekilde incelenmektedir. Yeni bitki formları melezleme (Şekil 2) ve seçilim yoluyla yaratılır. Son yıllarda araştırma yöntemlerindeki önemli gelişmeler, karyotip özellikleri (çoğunlukla küçük kromozom boyutları) onları daha önce kromozomal analiz için erişilemez hale getiren bitkilerin genomlarının incelenmesine başlamayı mümkün kılmıştır. Böylece pamuk, papatya ve ketenin tüm kromozomları ilk kez ancak yakın zamanda tanımlandı.
Pirinç. 2. Buğday ve buğday-Aegilops melezinin karyotipleri
a - heksaploid ortak buğday ( Tritikum astivum), A, B ve O genomlarından oluşur; b - tetraploid buğday ( Triticum timopheevi), A ve G genomlarından oluşur. çoğu buğday hastalığına karşı direnç sağlayan genleri içerir; c - melezler Tritikum astivum X Triticum timopheevi külleme ve paslanmaya karşı dayanıklı, kromozomların bir kısmının değiştirilmesi açıkça görülebilirDNA'NIN BİRİNCİL YAPISI
Moleküler genetik geliştikçe genom kavramı da genişledi. Şimdi bu terim hem klasik kromozomal hem de modern moleküler anlamda yorumlanıyor: bireysel bir virüsün, hücrenin ve organizmanın tüm genetik materyali. Doğal olarak, genomların birincil yapısının tamamının incelenmesinin ardından (bazların tam doğrusal dizisine sıklıkla denir) nükleik asitler) bir dizi mikroorganizma ve insan için bitki genomlarının dizilenmesi sorunu ortaya çıktı.
Çalışma için birçok bitki organizmasından ikisi seçildi: dikotiledonlar sınıfını temsil eden Arabidopsis (genom büyüklüğü 125 milyon bp) ve monokotiledonlar sınıfından pirinç (420-470 milyon bp). Bu genomlar diğer bitki genomlarıyla karşılaştırıldığında küçüktür ve nispeten az sayıda tekrarlanan DNA bölümü içerir. Bu tür özellikler, seçilen genomların, birincil yapılarının nispeten hızlı belirlenmesi için erişilebilir olacağı umudunu verdi.
Pirinç. 3. Arabidopsis - küçük hardal - turpgiller familyasından küçük bir bitki ( Brassicaceae). Dergimizin bir sayfasına eşit bir alanda bin kadar bireysel Arabidopsis organizması yetiştirebilirsiniz.Arabidopsis'in seçilmesinin temeli sadece genomunun küçük olması değil, aynı zamanda organizmanın küçük olmasıydı, bu da onun laboratuvar koşullarında yetiştirilmesini kolaylaştırıyordu (Şekil 3). Çaprazlama ve seçme deneylerini hızlı bir şekilde yürütmeyi mümkün kılan kısa üreme döngüsünü, kapsamlı bir şekilde incelenen genetiği, değişen yetiştirme koşullarıyla (toprağın tuz bileşimini değiştirmek, farklı besin maddeleri eklemek vb.) manipülasyon kolaylığını ve testleri hesaba kattık. çeşitli mutajenik faktörlerin ve patojenlerin (virüsler, bakteriler, mantarlar) bitkiler üzerindeki etkisi. Arabidopsis'in ekonomik değeri yoktur, bu nedenle onun genomuna, fare genomuyla birlikte referans genom veya daha az doğru bir ifadeyle model genom adı verildi.*
* Rus literatüründe "model genom" teriminin ortaya çıkışı, İngilizce model genom ifadesinin yanlış çevrilmesinin sonucudur. "Model" kelimesi yalnızca "model" sıfatı değil, aynı zamanda "örnek", "standart", "model" ismi anlamına da gelir. Örnek genomdan ya da referans genomdan bahsetmek daha doğru olur.Arabidopsis genomunun dizilenmesine yönelik yoğun çalışma, 1996 yılında ABD, Japonya, Belçika, İtalya, Büyük Britanya ve Almanya'dan bilimsel kurumları ve araştırma gruplarını içeren uluslararası bir konsorsiyum tarafından başladı. Aralık 2000'de Arabidopsis genomunun birincil yapısının belirlenmesini özetleyen kapsamlı bilgiler elde edildi. Sıralama için klasik veya hiyerarşik teknolojiyi kullandık: ilk önce genomun daha büyük bölümlerin (bitişiklerin) oluşturulduğu bireysel küçük bölümleri ve son aşamada bireysel kromozomların yapısı incelendi. Arabidopsis genomunun nükleer DNA'sı beş kromozom arasında dağılmıştır. 1999 yılında, iki kromozomun dizilenmesinin sonuçları yayınlandı ve geri kalan üçünün birincil yapısı hakkındaki bilgilerin yayınlanması, tüm genomun dizilimini tamamladı.
125 milyon nükleotid çiftinden, tüm genomun %92'sini oluşturan 119 milyonunun birincil yapısı belirlendi. Tekrarlanan DNA kesitlerinden oluşan büyük bloklar içeren Arabidopsis genomunun yalnızca %8'inin çalışma için erişilemez olduğu ortaya çıktı. Ökaryotik genomların dizilenmesinin tamlığı ve titizliği açısından Arabidopsis, tek hücreli maya organizmasıyla birlikte ilk üç şampiyon arasında yer alıyor Saccharomyces cerevisiae ve çok hücreli hayvan organizması Caenorhabditis zarafeti(tabloya bakınız).
Arabidopsis genomunda proteinleri kodlayan yaklaşık 15 bin ayrı gen bulundu. Yaklaşık 12 bin tanesi haploid (tek) genom başına iki kopya halinde bulunur, yani toplam sayı Arabidopsis'teki gen sayısı insan ve fare gibi organizmalardaki gen sayısından pek farklı değildir ancak genom büyüklüğü 25-30 kat daha küçüktür. Bu durum bireysel Arabidopsis genlerinin yapısındaki önemli özelliklerle ilişkilidir ve genel yapı onun genomu.
Arabidopsis genleri kompakttır, yalnızca birkaç ekson (protein kodlayan bölgeler) içerir ve kısa (yaklaşık 250 bp) kodlamayan DNA uzantılarıyla (intronlar) ayrılır. Bireysel genler arasındaki boşluklar ortalama 4,6 bin nükleotid çiftidir. Karşılaştırma için, insan genlerinin onlarca, hatta yüzlerce ekzon ve intron içerdiğini ve genler arası bölgelerin 10 bin nükleotid çifti veya daha fazla boyuta sahip olduğunu belirtiyoruz. Küçük kompakt bir genomun varlığının, Arabidopsis'in evrimsel stabilitesine katkıda bulunduğuna inanılmaktadır, çünkü DNA'sı, özellikle virüs benzeri tekrarlayan DNA fragmanlarının (transpozonların) hücre içine girmesi gibi çeşitli zarar verici ajanlar için daha az hedef haline gelmiştir. genom.
Arabidopsis genomunun diğer moleküler özellikleri arasında, hayvan genleriyle karşılaştırıldığında ekzonların guanin ve sitozin ile zenginleşmesi (eksonlarda %44 ve intronlarda %32) ve ayrıca iki kez tekrarlanan (kopyalanan) genlerin varlığı yer alır. Bu ikiye katlamanın, Arabidopsis genlerinin bir kısmının iki katına çıkmasından (tekrarlanmasından) veya ilgili genomların füzyonundan oluşan dört eşzamanlı olayın sonucu olarak meydana geldiğine inanılmaktadır. 100-200 milyon yıl önce meydana gelen bu olaylar, bitki genomlarının özelliği olan poliploidizasyona (bir organizmadaki genom sayısında çoklu artış) yönelik genel eğilimin bir tezahürüdür. Bununla birlikte bazı gerçekler, Arabidopsis'te kopyalanan genlerin özdeş olmadığını ve farklı şekilde çalıştığını göstermektedir; bu durum, düzenleyici bölgelerindeki mutasyonlardan kaynaklanabilmektedir.
Tam DNA dizilemesinin bir başka nesnesi de pirinçti. Bu bitkinin genomu da küçüktür (12 kromozom, toplam 420-470 milyon bp verir), Arabidopsis'inkinden yalnızca 3,5 kat daha büyüktür. Bununla birlikte, Arabidopsis'ten farklı olarak pirinç, insanlığın yarısından fazlasının beslenmesinin temelini oluşturduğu için çok büyük bir ekonomik öneme sahiptir, bu nedenle yalnızca milyarlarca tüketici onun özelliklerini geliştirmekle hayati derecede ilgilenmekle kalmıyor, aynı zamanda aktif olarak katılan milyonlarca dolarlık bir insan ordusu da var. onu büyütmek için çok emek yoğun bir süreç.
Bazı araştırmacılar pirinç genomunu incelemeye geçen yüzyılın 80'li yıllarında başladı, ancak bu çalışma ancak 90'lı yıllarda ciddi bir ölçeğe ulaştı. 1991 yılında Japonya'da pirinç genomunun yapısını deşifre etmeye yönelik birçok araştırma grubunun çabalarını birleştiren bir program oluşturuldu. 1997 yılında bu programa dayanarak Uluslararası Pirinç Genomu Projesi düzenlendi. Katılımcıları çabalarını pirinç alt türlerinden birinin dizilenmesi üzerinde yoğunlaştırmaya karar verdiler ( Oriza sativajaponica), o zamana kadar önemli ilerlemeler kaydedilmiş olan çalışmada. İnsan Genomu programı ciddi bir teşvik ve mecazi anlamda bu tür çalışmalar için yol gösterici bir yıldız haline geldi.
Bu programın bir parçası olarak, uluslararası konsorsiyum katılımcılarının pirinç genomunu deşifre etmek için kullandıkları "kromozomal" hiyerarşik genom bölümleme stratejisi test edildi. Bununla birlikte, insan genomu incelenirken, çeşitli teknikler kullanılarak bireysel kromozomların fraksiyonları izole edildiyse, o zaman bireysel pirinç kromozomlarına ve bunların bireysel bölümlerine özgü materyal, lazer mikrodisseksiyon (mikroskobik nesnelerin kesilmesi) yoluyla elde edildi. Pirinç kromozomlarının bulunduğu mikroskop lamı üzerinde, bir lazer ışınının etkisi altında, kromozom veya onun analiz amaçlı bölümleri dışındaki her şey yanar. Geri kalan malzeme klonlama ve sıralama için kullanılır.
Hiyerarşik teknolojinin yüksek doğruluk ve ayrıntı özelliğiyle gerçekleştirilen, pirinç genomunun ayrı ayrı parçalarının dizilenmesinin sonuçları hakkında çok sayıda rapor yayınlandı. Pirinç genomunun birincil yapısının tamamının belirlenmesinin 2003 sonu-2004 ortası itibarıyla tamamlanacağına ve sonuçların, Arabidopsis genomunun birincil yapısına ilişkin verilerle birlikte karşılaştırmalı genomikte yaygın olarak kullanılacağına inanılıyordu. diğer bitkilerden.
Bununla birlikte, 2002'nin başlarında, biri Çin'den, diğeri İsviçre ve Amerika Birleşik Devletleri'nden olmak üzere iki araştırma grubu, tam klonlama teknolojisi kullanılarak gerçekleştirilen pirinç genomunun tam kaba (kaba) dizilenmesinin sonuçlarını yayınladı. Adım adım (hiyerarşik) bir çalışmanın aksine, toplam yaklaşım, tüm genomik DNA'nın viral veya bakteriyel vektörlerden birinde tek adımlı klonlanmasına ve önemli (orta ve büyük genomlar için büyük) elde edilmesine dayanmaktadır. farklı DNA segmentleri içeren bireysel klonların sayısı. Bu sıralı bölümlerin analizine ve DNA'nın aynı terminal bölümlerinin üst üste binmesine dayanarak, bir bitişiklik oluşur - bir araya getirilmiş bir DNA dizileri zinciri. Genel (toplam) bitişik, tüm genomun veya en azından bireysel bir kromozomun birincil yapısını temsil eder.
Böyle şematik bir sunumda, tam klonlama stratejisi karmaşık görünmüyor. Aslında, çok sayıda klon elde etme ihtiyacı (incelenen genomun veya bölgesinin klonlarla en az 10 kez örtüşmesi gerektiği genel olarak kabul edilir), devasa bir dizileme hacmi ve aşırı derecede karmaşıklık nedeniyle ciddi zorluklarla karşılaşmaktadır. biyoinformatik uzmanlarının katılımını gerektiren, klonların birleştirilmesine ilişkin karmaşık çalışma. Tam klonlamanın önündeki ciddi bir engel, tekrarlanan DNA bölgelerinin çeşitliliğidir; bu bölgelerin sayısı, daha önce de belirtildiği gibi, genom boyutu arttıkça keskin bir şekilde artar. Bu nedenle, toplam dizileme stratejisi öncelikle virüslerin ve mikroorganizmaların genomlarının incelenmesinde kullanılır, ancak çok hücreli bir organizma olan Drosophila'nın genomunu incelemek için başarıyla uygulanmıştır.
Bu genomun toplam dizilenmesinin sonuçları, Drosophila'nın neredeyse 100 yıllık bir çalışma dönemi boyunca elde edilen kromozomal, gen ve moleküler yapısı hakkında çok çeşitli bilgilerin üzerine "üst üste bindirildi". Yine de sıralama derecesi açısından Drosophila genomu (toplam genom boyutunun %66'sı), oldukça benzer boyutlarına (sırasıyla 180 milyon ve 125 milyon nükleotit çifti) rağmen Arabidopsis genomundan (%92) önemli ölçüde daha düşüktür. . Bu nedenle yakın zamanda Drosophila genomunu dizilemek için kullanılan teknolojinin karışık olarak adlandırılması önerildi.
Pirinç genomunu sıralamak için yukarıda bahsedilen araştırma grupları, Asya ülkelerinde en yaygın şekilde yetiştirilen iki alt türünü aldı: Oriza tükürük L. ssp göstergesi Ve Oriza tükürük L. sspjaponica. Araştırmalarının sonuçları birçok açıdan örtüşüyor ancak birçok açıdan farklılık gösteriyor. Böylece her iki grubun temsilcileri genomun yaklaşık %92-93'ünde sürekli örtüşme elde ettiklerini belirtti. Pirinç genomunun yaklaşık %42'sinin 20 nükleotid çiftinden oluşan kısa DNA tekrarları ile temsil edildiği ve mobil DNA elemanlarının (transpozonların) çoğunluğunun intergenik bölgelerde yer aldığı gösterilmiştir. Ancak pirinç genomunun büyüklüğüne ilişkin bilgiler önemli ölçüde farklılık göstermektedir.
Japon alt türleri için genom büyüklüğü 466 milyon nükleotid çifti ve Hint alt türleri için 420 milyon olarak belirlendi. Bu tutarsızlığın nedeni açık değil. Çeşitli sebeplerin sonucu olabilir metodolojik yaklaşımlar yani genomların kodlamayan kısmının boyutunun belirlenmesinde gerçek durumu yansıtmaz. Ancak incelenen genomların boyutunda %15'lik bir farkın gerçekten var olması mümkündür.
İkinci ciddi tutarsızlık, tespit edilen genlerin sayısında ortaya çıktı: Japon alt türleri için genom başına 46.022 ila 55.615 gen ve Hint alt türleri için 32.000 ila 50.000 gen. Bu tutarsızlığın nedeni açık değil.
Yayınlanan yazılara yapılan yorumlarda alınan bilgilerin eksikliği ve tutarsızlığına dikkat çekildi. Ayrıca, "kaba sıralama"dan elde edilen verilerin Uluslararası Pirinç Genomu Projesi katılımcıları tarafından gerçekleştirilen ayrıntılı, hiyerarşik sıralama sonuçlarıyla karşılaştırılması yoluyla pirinç genomuna ilişkin bilgi boşluklarının ortadan kaldırılacağı umulmaktadır.
BİTKİLERİN KARŞILAŞTIRMALI VE FONKSİYONEL GENOMİĞİ
Yarısı (Çinli grubun sonuçları) kamuya açık olan elde edilen kapsamlı veriler, şüphesiz hem pirinç genomunun incelenmesi hem de genel olarak bitki genomiği için geniş umutlar açıyor. Arabidopsis ve pirinç genomlarının özelliklerinin karşılaştırılması şunu gösterdi: en Arabidopsis genomunda tanımlanan genler (%80'e kadar) pirinç genomunda da bulundu, ancak pirinçte bulunan genlerin yaklaşık yarısı için Arabidopsis genomundaki analoglar (ortologlar) henüz bulunamadı. Aynı zamanda pirinç genomunda diğer tahıllar için birincil yapısı oluşturulan genlerin %98'i tespit edildi.
Pirinç ve Arabidopsis'teki genlerin sayısındaki önemli (neredeyse iki kat) tutarsızlık kafa karıştırıcıdır. Aynı zamanda, toplam sıralama kullanılarak elde edilen pirinç genomunun kaba transkriptinden elde edilen veriler, hiyerarşik klonlama ve sıralama yöntemini kullanarak pirinç genomunun incelenmesinin kapsamlı sonuçlarıyla, yani yapılanlarla pratikte karşılaştırılmaz. Drosophila genomu için ulaşılamamıştır. Bu nedenle Arabidopsis ve pirinçteki gen sayısındaki farklılığın gerçek durumu yansıtıp yansıtmadığı veya metodolojik yaklaşımlardaki farklılıklarla açıklanıp açıklanmadığı belirsizliğini koruyor.
Arabidopsis genomundan farklı olarak pirinç genomundaki ikiz genler hakkında bilgi sağlanmamaktadır. Nispi bolluklarının pirinçte Arabidopsis'e göre daha fazla olması mümkündür. Bu olasılık, pirincin poliploid formlarının varlığına ilişkin verilerle dolaylı olarak desteklenmektedir. Uluslararası Pirinç Genomu Projesi'nin tamamlanmasından ve bu genomun birincil DNA yapısının ayrıntılı bir resminin elde edilmesinden sonra bu konuda daha fazla netlik beklenebilir. Pirinç genomunun kaba dizilimi üzerine çalışmaların yayınlanmasından sonra, bu genomun yapısı hakkındaki yayınların sayısının keskin bir şekilde artması, özellikle kromozomlarının ayrıntılı dizilimi hakkında bilgilerin ortaya çıkması, böyle bir umut için ciddi gerekçeler vermektedir. 1 ve 4.
Bitkilerdeki genlerin sayısının en azından yaklaşık olarak bilinmesi, karşılaştırmalı bitki genomiği açısından temel öneme sahiptir. Başlangıçta tüm çiçekli bitkilerin fenotipik özellikleri birbirine çok yakın olduğundan genomlarının da yakın olması gerektiğine inanılıyordu. Ve eğer Arabidopsis genomunu incelersek diğer bitkilerin çoğu genomu hakkında bilgi edinebiliriz. Bu varsayımın dolaylı olarak doğrulanması, şaşırtıcı derecede insan genomuna yakın olan fare genomunun dizilenmesinin sonuçlarıyla sağlanmaktadır (yaklaşık 30 bin gen, bunlardan yalnızca 1 bininin farklı olduğu ortaya çıktı).
Arabidopsis ve pirinç genomlarındaki farklılıkların nedeninin, bunların farklı bitki sınıflarına (dikotiledonlar ve monokotiledonlar) ait olmalarında yattığı varsayılabilir. Bu konuyu açıklığa kavuşturmak için, diğer bazı monokot bitkilerin en azından kaba birincil yapısını bilmek son derece arzu edilir. En gerçekçi aday, genomu yaklaşık olarak insan genomuna eşit olan ancak yine de diğer tahılların genomlarından önemli ölçüde daha küçük olan mısır olabilir. Mısırın besin değeri iyi bilinmektedir.
Arabidopsis ve pirincin genomlarının dizilenmesinden elde edilen muazzam malzeme, giderek karşılaştırmalı genomik yöntemleri kullanılarak bitki genomlarının geniş ölçekli bir çalışmasının temeli haline geliyor. Bu tür çalışmalar genel biyolojik öneme sahiptir, çünkü bitki genomunun bir bütün olarak organizasyonunun ana prensiplerini ve bireysel kromozomlarını oluşturmayı, genlerin yapısının ve düzenleyici bölgelerinin ortak özelliklerini tanımlamayı ve bunların dikkate alınmasını mümkün kılar. Kromozomun fonksiyonel olarak aktif (gen) kısmı ile protein kodlamayan çeşitli intergenik DNA bölgeleri arasındaki ilişki. Karşılaştırmalı genetik gelişim için giderek daha önemli hale geliyor fonksiyonel genomik kişi. Kirpi balığı ve farelerin genomlarının dizilenmesi karşılaştırmalı çalışmalar içindir.
Vücudun belirli işlevlerini belirleyen bireysel proteinlerin sentezinden sorumlu bireysel genlerin incelenmesi de daha az önemli değildir. İnsan Genomu programının pratik, özellikle tıbbi önemi, bireysel genlerin tespit edilmesi, izolasyonu, dizilenmesi ve fonksiyonunun oluşturulmasında yatmaktadır. Bu durum birkaç yıl önce J. Watson tarafından fark edilmiş ve İnsan Genomu programının ancak tüm insan genlerinin fonksiyonları belirlendiğinde tamamlanacağını vurgulamıştı.
Pirinç. 4. Arabidopsis genlerinin fonksiyonuna göre sınıflandırma
1 - büyüme, bölünme ve DNA sentezi için genler; 2 - RNA sentez genleri (transkripsiyon); 3 - protein sentezi ve modifikasyonu için genler; 4 - gelişim, yaşlanma ve hücre ölümü genleri; 5 - hücresel metabolizma ve enerji metabolizmasının genleri; 6 - hücreler arası etkileşim ve sinyal iletimi için genler; 7 - diğer hücresel süreçleri destekleyen genler; 8 - işlevi bilinmeyen genlerBitki genlerinin işlevi söz konusu olduğunda, insan genleri hakkında bildiğimizin onda birinden daha azını biliyoruz. Genomu insan genomundan çok daha fazla incelenen Arabidopsis'te bile genlerinin neredeyse yarısının işlevi bilinmiyor (Şekil 4). Bu arada bitkiler, hayvanlarda ortak olan genlerin yanı sıra, yalnızca kendilerine özgü (veya en azından ağırlıklı olarak) önemli sayıda gene sahiptir. bu yaklaşık suyun taşınması ve sentezinde rol oynayan genler hakkında hücre duvarı Hayvanlarda bulunmayan, kloroplastların oluşumunu ve işleyişini, fotosentezi, nitrojen fiksasyonunu ve çok sayıda aromatik ürünün sentezini sağlayan genler hakkında. Bu listeye devam edilebilir, ancak bitki fonksiyonel genomiğinin karşı karşıya olduğu görevin ne kadar zor olduğu zaten açıktır.
Tam genom dizilimi, belirli bir organizmanın toplam gen sayısı hakkında gerçeğe yakın bilgi sağlar, yapıları hakkında az çok ayrıntılı ve güvenilir bilgilerin veri bankalarına yerleştirilmesine olanak tanır ve bireysel genlerin izole edilmesi ve incelenmesi işini kolaylaştırır. Ancak genom dizilimi tüm genlerin fonksiyonunun belirlenmesi anlamına gelmez.
Fonksiyonel genomiğin en umut verici yaklaşımlarından biri, üzerinde mRNA transkripsiyonunun (okunmasının) gerçekleştiği çalışan genlerin tanımlanmasına dayanmaktadır. Bu yaklaşımın kullanımı da dahil modern teknoloji mikrodiziler, on binlerce işlevsel geni aynı anda tanımlamanıza olanak tanır. Son zamanlarda bu yaklaşımı kullanarak bitki genomlarının incelenmesi başlamıştır. Arabidopsis için yaklaşık 26 bin ayrı transkript elde etmek mümkün oldu, bu da neredeyse tüm genlerinin işlevini belirleme olasılığını büyük ölçüde kolaylaştırdı. Patateslerde, hem büyüme ve yumru oluşumu süreçlerini hem de patates hastalığı süreçlerini anlamak için önemli olan yaklaşık 20.000 bin çalışan genin tanımlanması mümkün oldu. Bu bilginin en önemli gıda ürünlerinden birinin patojenlere karşı direncini arttırması bekleniyor.
Fonksiyonel genomiğin mantıksal gelişimi proteomiktir. Bu yeni bilim alanı, tipik olarak belirli bir zamanda bir hücrede bulunan proteinlerin tamamını ifade eden proteomu inceliyor. Genomun işlevsel durumunu yansıtan bu protein seti her zaman değişirken genom değişmeden kalır.
Protein çalışmaları uzun süredir bitki genomlarının aktivitesi hakkında yargılarda bulunmak için kullanılıyor. Bilindiği gibi tüm bitkilerde bulunan enzimler, tür ve çeşitlere göre aminoasit dizilimleri açısından farklılık göstermektedir. Aynı fonksiyona sahip fakat ayrı ayrı amino asit dizileri farklı olan bu tür enzimlere izoenzimler denir. Farklı fizikokimyasal ve immünolojik özelliklere sahiptirler ( moleküler ağırlık, yük), kromatografi veya elektroforez kullanılarak tespit edilebilir. Uzun yıllardır bu yöntemler, genetik polimorfizm olarak adlandırılan organizmalar, çeşitler, popülasyonlar, türler, özellikle de buğday ve ilgili tahıl türleri arasındaki farklılıkları incelemek için başarıyla kullanılmıştır. Ancak son zamanlarda dizilemeyi de içeren DNA analiz yöntemlerinin hızla gelişmesi nedeniyle, protein polimorfizmi çalışmalarının yerini DNA polimorfizmi çalışmaları almıştır. Bununla birlikte, tahılların temel besin özelliklerini belirleyen depo proteinlerinin (prolaminler, gliadinler vb.) spektrumlarının doğrudan incelenmesi, tarımsal bitkilerin genetik analizi, seçimi ve tohum üretimi için önemli ve güvenilir bir yöntem olmaya devam etmektedir.
Genlerin bilgisi, bunların ekspresyon mekanizmaları ve düzenlenmesi biyoteknolojinin gelişimi ve transgenik bitkilerin üretimi için son derece önemlidir. Bu alandaki etkileyici başarıların çevre ve tıp çevrelerinde karışık tepkilere neden olduğu biliniyor. Bununla birlikte, bitki biyoteknolojisinin bir alanı var ki, bu korkular tamamen temelsiz olmasa da, her halükarda önemsiz görünüyor. Gıda ürünü olarak kullanılmayan transgenik teknik bitkiler yaratmaktan bahsediyoruz. Hindistan yakın zamanda bir dizi hastalığa dayanıklı ilk transgenik pamuk mahsulünü hasat etti. Pigment proteinlerini kodlayan özel genlerin pamuk genomuna dahil edilmesi ve yapay boyama gerektirmeyen pamuk liflerinin üretimi hakkında bilgiler bulunmaktadır. Etkili genetik mühendisliğine tabi tutulabilecek bir diğer endüstriyel ürün ise ketendir. Son dönemde tekstil hammaddesi olarak pamuğa alternatif olarak kullanımı tartışılıyor. Bu sorun, kendi pamuk hammaddesi kaynaklarını kaybetmiş olan ülkemiz için son derece önemlidir.
BİTKİ GENOMLARININ İNCELENMESİ İÇİN BEKLENTİLER
Bitki genomlarına ilişkin yapısal çalışmaların, Arabidopsis ve pirinç genomlarının deşifre edilmesinin sonuçlarını ana materyal olarak kullanan karşılaştırmalı genomik yaklaşım ve yöntemlerine dayanacağı açıktır. Karşılaştırmalı bitki genomiğinin geliştirilmesinde önemli bir rol, şüphesiz, diğer bitkilerin genomlarının toplam (kaba) dizilenmesiyle er ya da geç sağlanacak bilgiler tarafından oynanacaktır. Bu durumda karşılaştırmalı bitki genomiği, bireysel lokuslar ile farklı genomlara ait kromozomlar arasında genetik ilişkilerin kurulmasına dayanacaktır. Bitkilerin genel genomiği hakkında değil, bireysel kromozomal lokusların seçici genomiği hakkında çok fazla konuşacağız. Böylece yakın zamanda vernalizasyondan sorumlu genin, heksaploid buğdayın 5A kromozomunun VRn-AI lokusunda ve pirincin 3. kromozomunun Hd-6 lokusunda yer aldığı gösterilmiştir.
Bu çalışmaların geliştirilmesi, işlevsel açıdan önemli pek çok bitki geninin, özellikle de hastalık direncinden, kuraklığa dayanıklılıktan ve çeşitli büyüme koşullarına uyum sağlamadan sorumlu genlerin tanımlanması, izolasyonu ve dizilenmesi için güçlü bir itici güç olacaktır. Bitkilerde işlev gören genlerin toplu olarak tanımlanmasına (tarama) dayanan fonksiyonel genomik giderek daha fazla kullanılacaktır.
Başta mikrodiseksiyon yöntemi olmak üzere kromozom teknolojilerinde daha fazla gelişme olacağını öngörebiliriz. Kullanımı, toplam genom dizilimi gibi büyük maliyetler gerektirmeden genomik araştırma olanaklarını önemli ölçüde genişletir. Hibridizasyon kullanılarak bireysel genlerin bitki kromozomları üzerinde lokalize edilmesi yöntemi daha yaygın hale gelecektir. yerinde.Şu anda kullanımı, bitki genomundaki çok sayıda tekrar eden dizi ve muhtemelen bitki kromozomlarının yapısal organizasyonunun özellikleri nedeniyle sınırlıdır.
Öngörülebilir gelecekte kromozom teknolojileri, bitkilerin evrimsel genomiği açısından da büyük önem kazanacaktır. Nispeten ucuz olan bu teknolojiler, tür içi ve türler arası değişkenliği hızla değerlendirmeyi ve tetraploid ve heksaploid buğday ile tritikalenin karmaşık allopoliploid genomlarını incelemeyi mümkün kılar; evrimsel süreçleri kromozom düzeyinde analiz etmek; sentetik genomların oluşumunu ve yabancı genetik materyalin girişini (introgresyonunu) araştırmak; bireysel kromozomlar arasındaki genetik ilişkileri tanımlamak çeşitli türler.
Bitki karyotipinin moleküler biyolojik analiz ve bilgisayar teknolojileri ile zenginleştirilmiş klasik sitogenetik yöntemler kullanılarak incelenmesi, genomun karakterizasyonu için kullanılacaktır. Bu, karyotipin stabilitesini ve değişkenliğini yalnızca bireysel organizmalar düzeyinde değil aynı zamanda popülasyonlar, çeşitler ve türler düzeyinde incelemek için özellikle önemlidir. Son olarak, diferansiyel boyama yöntemleri kullanılmadan kromozomal yeniden düzenlemelerin (aberasyonlar, köprüler) sayısı ve spektrumunun nasıl tahmin edilebileceğini hayal etmek zordur. Bu tür çalışmalar izleme açısından son derece ümit vericidir. çevre bitki genomunun durumuna göre.
İÇİNDE modern Rusya Bitki genomlarının doğrudan dizilenmesi pek olası değildir. Büyük yatırımlar gerektiren bu tür çalışmalar mevcut ekonomimiz açısından sürdürülemez. Bu arada, dünya biliminin elde ettiği ve uluslararası veri bankalarında mevcut olan Arabidopsis ve pirinç genomlarının yapısına ilişkin bilgiler, yerli bitki genomiğinin geliştirilmesi için yeterlidir. Ekonomik öneme sahip çeşitli bitki türlerinin kökeninin araştırılmasının yanı sıra, yetiştirme ve mahsul üretimine ilişkin belirli sorunları çözmek için karşılaştırmalı genomik yaklaşımlara dayalı bitki genomlarına yönelik araştırmaların genişleyeceğini öngörmek mümkündür.
Yerli ıslah uygulamalarında ve bitki yetiştiriciliğinde bütçemize oldukça uygun olan genetik tiplendirme (RELF, RAPD, AFLP analizleri vb.) gibi genomik yaklaşımların yaygın olarak kullanılacağı varsayılabilir. DNA polimorfizmini belirlemeye yönelik doğrudan yöntemlere paralel olarak, genetik ve bitki ıslahı sorunlarını çözmek için, başta tahılların depo proteinleri olmak üzere, protein polimorfizminin incelenmesine dayalı yaklaşımlar kullanılacaktır. Kromozom teknolojileri yaygın olarak kullanılacaktır. Nispeten ucuzdurlar ve gelişmeleri oldukça ılımlı yatırımlar gerektirir. Kromozom araştırmaları alanında yerli bilim dünyadan aşağı değildir.
Bilimimizin bitki genomiğinin oluşumuna ve gelişimine önemli katkılarda bulunduğunu vurgulamak gerekir [,].
Temel rol N.I tarafından oynandı. Vavilov'un (1887-1943).
Moleküler biyoloji ve bitki genomiğinde A.N.'nin öncü katkısı açıktır. Belozersky (1905-1972).
Kromozom araştırması alanında seçkin genetikçi S.G.'nin çalışmalarına dikkat etmek gerekir. Bitkilerde uydu kromozomlarını ilk keşfeden ve bireysel kromozomları morfolojilerinin özelliklerine göre ayırt etmenin mümkün olduğunu kanıtlayan Navashin (1857-1930).
Başka bir klasik Rus bilimi G.A. Levitsky (1878-1942) çavdar, buğday, arpa, bezelye ve şeker pancarının kromozomlarını ayrıntılı olarak tanımlamış, “karyotip” terimini bilime kazandırmış ve doktrinini geliştirmiştir.
Dünya biliminin başarılarına dayanan modern uzmanlar, daha fazla gelişme Bitki genetiği ve genomiği.
Yazar, Akademisyen Yu.P.'ye içten şükranlarını sunar. Makalenin eleştirel tartışması ve değerli tavsiyeleri için Altukhov'a teşekkür ederiz.Makalenin yazarının başkanlığını yaptığı ekibin çalışması, Rusya Fonu temel araştırma (hibeler No. 99-04-48832; 00-04-49036; 00-04-81086), Başkanlık Programları Rusya Federasyonu destek için bilimsel okullar(hibeler No. 00-115-97833 ve NSh-1794.2003.4) ve Programlar Rus Akademisi Bilimler "Gelişimde moleküler genetik ve kromozomal belirteçler modern yöntemler seçimi ve tohum üretimi".
EDEBİYAT
1. Zelenin A.V., Badaeva E.D., Muravenko O.V. Bitki genomiğine giriş // Moleküler biyoloji. 2001. T. 35. s. 339-348. 2. Kalem E. Bitki Genomik için Bonanza // Bilim. 1998. V. 282. S. 652-654. 3. Bitki genomiği // Proc. Natl. Acad. Bilim. AMERİKA. 1998. V. 95. S. 1962-2032. 4. Kartel N.A. vesaire. Genetik. Ansiklopedik Sözlük. Minsk: Teknoloji, 1999. 5. Badaeva E.D., Friebe B., Gill B.S. 1996. Aegilops'ta genom farklılaşması. 1. Diploid türlerin kromozomları üzerinde yüksek oranda tekrarlayan DNA dizilerinin dağılımı // Genom. 1996. V. 39. S. 293-306. Kromozom analizinin tarihçesi // Biol. membranlar. 2001. T. 18. s. 164-172.
05.09.2011 saat 09:36'da Limarev şunları söyledi:
Limarev V.N.
İnsan genomunun kodunu çözmek.
L.G.'nin kitabından bir parça. Puchko: “İnsanın radyotetik bilişi”
Genomun deşifre edilmesi sorununu çözmek için milyarlarca dolarlık bütçeyle uluslararası bir “insan genomu” projesi düzenlendi.
2000 yılına gelindiğinde insan genomunun neredeyse haritası çıkarılmıştı. Genler sayıldı, tanımlandı ve veri tabanlarına kaydedildi. Bunlar çok büyük miktarda bilgidir.
İnsan genomunun sayısallaştırılmış biçimde kaydedilmesi, yaklaşık 300 terabayt bilgisayar belleği gerektirir; bu, 100 gigabayt kapasiteli 3 bin sabit diske eşdeğerdir.
Anlaşıldı. Bir insanın daha önce sanıldığı gibi yüzbinlerce değil, 30 binin biraz üzerinde gene sahip olduğu. Sineğin meyve sinekleri var, bunların sadece yarısı kadar var - yaklaşık 13 bin ve fare neredeyse bir insanla aynı sayıya sahip. Şifresi çözülen genomda insanlara özgü genlerin yalnızca %1'i var. DNA sarmalının büyük bir kısmının, genler tarafından değil, genlerin kodlanmadığı sözde "boş bölümler" ve ayrıca birbiri ardına tekrarlanan çift parçalar tarafından işgal edildiği ortaya çıktı. ki bu belirsiz.
Kısacası, genlerin yaşamın yapı taşları bile olmadığı, yalnızca vücudun yapısının inşa edildiği planın unsurları olduğu ortaya çıktı. Genetiğin ortaya çıkışından önce genel olarak inanıldığı gibi yapı taşları proteinlerdir.
İnsanı fareden ayıran bu kadar büyük miktardaki bilgiyi, insanlara özgü genlerin %1'inin kodlayamayacağı açıkça ortaya çıktı. Tüm bilgiler nerede saklanıyor? Pek çok bilim adamı için, İlahi prensip olmadan insan doğasını açıklamanın imkansız olduğu gerçeği yadsınamaz hale geliyor. Bazı bilim adamları, insan vücudu hakkındaki mevcut fikirler çerçevesinde, insan genomunu deşifre etmenin prensipte imkansız olduğunu öne sürüyor.
Dünya bilinmiyor - bilinebilir (makaleyle ilgili yorumlarım).
1) Şu parçayı düşünün: "İlahi prensip olmadan insan doğasını açıklamak imkansızdır."
Yukarıda sunulan bilgiler hiçbir şekilde bunu göstermez.
Genom aslında önceden düşünülenden daha karmaşık bir yapıya sahiptir.
Ancak sonuçta yazıda bahsedilen bilgisayar sadece hafıza hücrelerinden oluşmuyor.
Bir bilgisayarın iki belleği vardır: uzun süreli ve operasyonel, ayrıca bilgilerin işlendiği bir işlemci. Elektromanyetik alan aynı zamanda bilgi işlemede de rol oynar. Genom bilgisini deşifre etmek için bilginin nasıl oluştuğunu, sadece bilginin depolanmasını değil aynı zamanda işlenmesini de anlamak gerekir. Ayrıca bazı bilgilerin kayıt altına alınarak saklandığı fikrini de kabul ediyorum. elektromanyetik alan. Ve ayrıca daha önce yazdığım gibi, Yüce Aklın özel bilgi merkezlerinde bir kişinin dışında.
Mors alfabesinde 0 veya 1 ikili koduyla kodlanmış sürekli bir metin hayal edin, bunun hangi dilde yazıldığını (İngilizce veya Fransızca...) bilmiyorsunuz ve bu sürekli metnin kelimelerden, cümlelerden oluştuğunu bilmiyorsunuz. , paragraflar, bölümler, ciltler, raflar, dolaplar vb.
Biyolojide de hemen hemen aynı, sadece burada her şey dört basamaklı bir kodla kodlanmış ve temel genlerin + - / * sırasını deşifre ettik, ancak dili bilmiyoruz ve buna göre kelimeler, cümleler, paragraflar, bölümler, ciltler, raflar, dolaplar vb. Bizim için şifresi çözülmüş genom hâlâ 4. dereceli kodun sağlam bir metnidir ve tamamını doğrudan incelemek neredeyse imkansızdır.
Ancak belirli zaman dilimlerinde (hem bireyde hem de onun nesiller kohortunda ve türde, cinste) bazı genlerin ve bunların komplekslerinin (kelimelerden, cümlelerden, paragraflardan, bölümlerden, ciltlerden, raflardan, dolaplardan vb. Sorumlu) ortaya çıktığı ortaya çıktı. .) aktiftir ve evrimin diğer dönemlerinde pasiftirler, bunu dolaylı olarak çeşitli poligenik özelliklerle belirlerim (Genel Periyodik Evrim Yasası konusunda gösterildiği gibi).
Şu anda genleri incelemek için yalnızca iki yöntem vardır; bu, bir numunedeki genlerin (DNA) toplamının basit bir laboratuvar hesaplamasıdır ve üretilen protein RNA miktarını sayan bir cihaz vardır. üretilen elektronik çipe yapıştı spesifik DNA, ancak zamanın her anında aktif olduğundan büyük miktar DNA ve buna bağlı olarak RNA aracılığıyla çok sayıda farklı protein üretiliyor, sonra bu çorbada “bu erişteleri kaşık, çatal ve Japon yemek çubuklarıyla” parçalayıp aradığınızı bulmak - sebep bulmak - çok zor. Spesifik DNA (bir DNA kompleksi olarak) arasındaki ve-etki ilişkileri ve bunun poligenik özellik üzerindeki etkisi.
Görünüşe göre poligenik bir özelliğin derecesini belirleyen tüm bu DNA, RNA ve protein çorbasını nasıl ayrıştıracağıma dair basit bir yöntem buldum.
Anlaşıldığı üzere, bir bireyin evrim sırasına göre (nesiller, türler ve cinsler grubu) her poligenik özellik periyodiktir, bu nedenle RNA ve DNA aktivitesinde periyodik olması gerekir ve bu nedenle sadece bulmanız gerekir (öncelikle); genetik ayrıntılara girerken) poligenik özellikteki (bireyde, nesiller kohortunda, türde, cinste...) metrik değişim ile bu dönemlerle orantılı olarak karşılık gelen RNA, DNA aktivitesi arasındaki korelasyon.
Dünya çapında omurgasızların %70'ini enfekte eden ve onlarla birlikte gelişen pandemik bir parazittir. Parazit çoğunlukla böcekleri enfekte eder, burada onların yumurtalarına ve spermlerine nüfuz eder ve yavrularına bulaşır. Bu gerçek, bilim adamlarını, ortaya çıkan herhangi bir genetik değişikliğin nesilden nesile aktarıldığını varsaymaya yöneltmiştir.
Jack Werren liderliğindeki bilim adamlarının gerçekleştirdiği bu keşif, bakteriler ile çok hücreli organizmalar arasındaki yatay (türler arası) gen aktarımının sanılandan daha sık gerçekleştiğini ve evrim sürecine belirli bir iz bıraktığını gösteriyor. Bakteriyel DNA, bir organizmanın genomunun tam bir parçası olabilir ve hatta en azından omurgasızlarda belirli özelliklerin oluşumundan sorumlu olabilir.
Bu kadar büyük bir DNA parçasının tamamen nötr olma ihtimali minimum düzeydedir ve uzmanlar, içerdiği genlerin böceklere belirli seçilim avantajları sağladığına inanmaktadır. Yazarlar şu anda bu faydaları belirlemek için çalışıyorlar. Evrimci biyologların bu keşfe çok dikkat etmeleri gerekiyor.
) meyve sineğinin genomunda bulunur ( Drosophila ananassae) parazitik bir bakterinin genomunun tam bir kopyası Wolbaçya.
Wolbachia bakterisi, konakçı hücrelerin sitoplazmasında yaşar ve konakçılarının üremesini, gelişimini ve hatta evrimini hassas bir şekilde düzenlemeyi öğrenmesiyle bilinir. Bu nedenle sıklıkla “mikrop manipülatörü” veya “sineklerin efendisi” olarak anılır (böcek hücrelerinde yaşadığı için).
Araştırma, JCVI'dan Julie Dunning-Hotopp'un bazı Wolbachia genlerinin Drosophila genleriyle sanki aynı genomun parçasıymış gibi nasıl "işbirliği yaptığını" keşfetmesiyle başladı.
Rochester Üniversitesi'nden araştırmacı Michael Clark koloniye yerleşti Drosophila ananassae Warren'la birlikte sırrın ne olduğunu anlamak için laboratuvara gittik.
Drosophila genomundaki Wolbachia geni (Rochester Üniversitesi'nden örnek).
Clarke, "Aylar boyunca bir konuda yanıldığımı düşündüm" diyor ve ekliyor: "Tüm Wolbachia genlerini tekrar tekrar bulduğum için antibiyotik direncinin geliştiğini bile varsaydım. Birkaç ay önce yalnız bıraktığım dokuları nihayet aldığımda Wolbachia'nın kendisini bulamadım."
Şimdi Warren ve Clark, bu kadar büyük bir DNA parçasını yerleştirmenin Drosophila için ne gibi bir avantaj sağladığını anlamaya çalışıyorlar; belki de "yabancı" genler, konakçıya bazı yeni yetenekler sağlıyor.
Ve böylece Wolbachia genleri, konağın DNA'sına geçer (illüstrasyon: Nicolle Rager Fuller, National Science).
Araştırmanın sonuçları Science dergisinde bir makalede yayınlandı. Yazarlar, dünyamızda bakteriler ve çok hücreli organizmalar arasında yatay gen transferinin (ilgisiz türler arasındaki gen transferi) daha önce düşünülenden çok daha sık meydana geldiğini öne sürüyorlar.
Wolbachia'nın konakçılarıyla birlikte gerçekleştirdiği moleküler genetik manipülasyon mekanizmalarının şifresini çözmek, insanlara canlı organizmaları ve bir bütün olarak doğayı etkilemek için yeni ve güçlü araçlar sağlayacak.
Bununla birlikte, tüm böcekler Wolbachia'nın kötü etkisine duyarlı değildir. Örneğin Samoa adalarındaki kelebekler erkeklerini korumayı “öğrendiler”. Acaba bu bakteriyi bulaştırmak istedikleri sıtma sivrisinekleri onunla savaşmayı öğrenebilecek mi?
Sıçrayan genler
Geçen yüzyılın ortalarında Amerikalı araştırmacı Barbara McClintock, mısırda kromozomlar üzerindeki konumlarını bağımsız olarak değiştirebilen şaşırtıcı genler keşfetti. Artık bunlara “sıçrayan genler” veya yeri değiştirilebilen (hareketli) elementler deniyor. Hareketli unsurların yalnızca mısıra özgü benzersiz bir olgu olduğu düşünüldüğünde, keşif uzun süre tanınmadı. Ancak bu keşfi nedeniyle 1983 yılında McClintock'a ödül verildi. Nobel Ödülü- Bugüne kadar incelenen hemen hemen tüm hayvan ve bitki türlerinde sıçrayan genler bulunmuştur.
Sıçrayan genler nereden gelir, hücrede ne işe yarar, faydalı mıdır? Neden genetik olarak sağlıklı ebeveynlere sahip bir Drosophila meyve sineği ailesi, sıçrayan genler nedeniyle yüksek sıklıkta mutant yavrular üretebiliyor, hatta çocuksuz kalabiliyor? Sıçrayan genlerin evrimdeki rolü nedir?
Hücrelerin çalışmasını sağlayan genlerin kromozomlar üzerinde belli bir sıra ile yer aldığını söylemek gerekir. Bu sayede tek hücreli ve çok hücreli organizmaların birçok türü için sözde genetik haritalar oluşturmak mümkün oldu. Ancak genler arasında, içlerindekinden çok daha fazla genetik materyal vardır! DNA'nın bu "balast" kısmının oynadığı rol tam olarak belirlenmemiştir, ancak burada yalnızca kendilerini hareket ettirmekle kalmayıp aynı zamanda komşu DNA parçalarını da yanlarında alabilen mobil elementlerin en sık bulunduğu yer burasıdır.
Sıçrayan genler nereden geliyor? Bazı hareketli elementler viral parçacıklar oluşturabildiğinden (örneğin meyve sineğindeki çingene hareketli elemanı) en azından bazılarının virüslerden kaynaklandığı varsayılmaktadır. Drosophila melanogaster). Bazı hareketli elementler genomda sözde yoluyla ortaya çıkar. yatay transfer diğer türlerden. Örneğin, mobil olduğu tespit edilmiştir. serseri-element (Rusça'ya çevrildiğinde buna serseri denir) Drosophila melanogaster bu türün genomuna defalarca yeniden dahil edildi. DNA'nın bazı düzenleyici bölümlerinin de özerkliğe ve "serserilik" eğilimine sahip olabileceği bir versiyon var.
Kullanışlı balast
Öte yandan sıçrayan genlerin çoğu, toplam genetik materyalin beşte birini oluşturmalarına rağmen ismine rağmen sessiz davranırlar. Drosophila melanogaster veya insan genomunun neredeyse yarısı.
Yukarıda bahsedilen DNA fazlalığının bir avantajı vardır: yabancı DNA'nın genoma girmesi durumunda balast DNA (pasif mobil elemanlar dahil) darbeyi alır. Balast DNA'sı önemli DNA'dan çok daha fazlaysa, yeni bir elementin yararlı bir gene entegre edilmesi ve dolayısıyla işlevini bozma olasılığı azalır.
DNA'nın bir miktar fazlalığı, kelimelerdeki harflerin "fazlalığı" ile aynı şekilde faydalıdır: "Maria Ivanovna" yazarız, ancak "Marivan" deriz. Bazı harfler kaçınılmaz olarak kaybolur, ancak anlamları kalır. Aynı prensip, bir protein-enzim molekülündeki tek tek amino asitlerin önem düzeyinde de çalışır: yalnızca aktif merkezi oluşturan amino asitlerin dizisi kesinlikle korunur. Böylece, farklı düzeylerde artıklık, sistem gücü rezervi sağlayan bir tür tampon haline gelir. Böylece hareket kabiliyetini kaybetmiş hareketli unsurların genom için yararsız olmadığı ortaya çıkıyor. Dedikleri gibi, "ince bir koyundan en azından bir tutam yün", ancak belki başka bir atasözü buraya daha uygun olabilir - "her bast sıra halinde."
Atlama yeteneğini koruyan hareketli elementler, elementin türüne, genetik arka planına ve dış koşullara bağlı olarak Drosophila kromozomları boyunca nesil başına gen başına 10–2–10–5 sıklığında hareket eder. Bu, bir hücredeki sıçrayan yüz genden birinin bir sonraki hücre bölünmesinden sonra konumunu değiştirebileceği anlamına gelir. Sonuç olarak, birkaç nesil sonra hareketli elemanların kromozom boyunca dağılımı önemli ölçüde değişebilir.
Bu dağılımı Drosophila larvalarının tükürük bezlerinden elde edilen politen (çok iplikli) kromozomlar üzerinde incelemek uygundur. Bu kromozomlar normalden çok daha kalındır ve bu da onların mikroskop altında incelenmesini büyük ölçüde kolaylaştırır. Bu kromozomlar nasıl elde ediliyor? Tükürük bezlerinin hücrelerinde, normal hücre bölünmesi sırasında olduğu gibi her kromozomun DNA'sı çoğalır, ancak hücrenin kendisi bölünmez. Sonuç olarak, bezdeki hücre sayısı değişmez, ancak 10-11 döngü boyunca her kromozomda birkaç bin aynı DNA ipliği birikir.
Drosophila'daki sıçrayan genlerin diğer çok hücreli organizmalara göre daha iyi çalışılması kısmen politen kromozomlardan kaynaklanmaktadır. Bu çalışmaların sonucunda, aynı Drosophila popülasyonunda bile, aynı transpoze edilebilir element dağılımına sahip kromozomlara sahip iki birey bulmanın zor olduğu ortaya çıktı. Drosophila'daki spontan mutasyonların çoğunun bu "atlayıcıların" hareketinden kaynaklandığına inanılması tesadüf değildir.
Sonuçlar değişebilir...
Aktif mobil elementler genom üzerindeki etkilerine göre çeşitli gruplara ayrılabilir. Bazıları genom için son derece önemli ve faydalı işlevleri yerine getiriyor. Örneğin, telomerik Drosophila'da kromozomların uçlarında bulunan DNA, özel hareketli elementlerden oluşur. Bu DNA son derece önemlidir; kaybı, hücre bölünmesi sırasında tüm kromozomun kaybına neden olur ve bu da hücre ölümüne yol açar.
Diğer mobil unsurlar tam anlamıyla “zararlılar”dır. En azından şu anda öyle oldukları düşünülüyor. Örneğin, R2 sınıfının mobil elemanları, protein sentezi için hücresel "fabrikalar" olan ribozomal proteinlerden birini kodlayan artropod genlerine spesifik olarak dahil edilebilir. Bu tür bozukluklara sahip bireyler, genomda bu proteinleri kodlayan birçok genin yalnızca bir kısmının hasar görmesi nedeniyle hayatta kalır.
Ayrıca yalnızca germ hücreleri üreten üreme dokularında hareket eden hareketli elementler de vardır. Bu, farklı dokularda aynı hareketli elemanın, hareket için gerekli olan uzunluk ve işlev bakımından farklı enzim protein moleküllerini üretebilmesiyle açıklanmaktadır.
İkincisinin bir örneği P-elementidir Drosophila melanogaster Doğal popülasyonlarına yüz yıldan fazla bir süre önce başka bir Drosophila türünden yatay transfer yoluyla giren. Ancak şu anda Dünya'da neredeyse hiç nüfus yok Drosophila melanogaster, burada P elemanı bulunamaz. Kopyalarının çoğunun kusurlu olduğunu, ayrıca kusurun aynı versiyonunun hemen hemen her yerde bulunduğunu belirtmekte fayda var. İkincisinin genomdaki rolü benzersizdir: hemcinslerine karşı "hoşgörüsüzdür" ve baskılayıcı rolünü oynayarak onların hareketlerini engeller. Dolayısıyla Drosophila genomunun “yabancının” sıçramalarına karşı korunması kısmen kendi türevleri tarafından gerçekleştirilebilir.
Önemli olan doğru ebeveynleri seçmek!
Mobil elemanların atlamalarının çoğu etkilemez dış görünüş Drosophila, çünkü balast DNA'sını oluşturur, ancak aktivitelerinin keskin bir şekilde arttığı başka durumlar da vardır.
Şaşırtıcı bir şekilde, sıçrayan genlerin hareketini tetikleyen en güçlü faktör, zayıf ebeveyn seçimidir. Örneğin, laboratuvar popülasyonundaki dişileri çaprazlarsanız ne olur? Drosophila melanogaster P elementine sahip olmayan (çünkü ataları yaklaşık yüz yıl önce doğadan yakalanmışlardı) erkekler P elementini taşıyordu? Melezlerde hareketli unsurun hızlı hareket etmesi nedeniyle çok sayıda farklı genetik bozukluk ortaya çıkabilir. Hibrit disgenezi olarak adlandırılan bu fenomen, annenin sitoplazmasında transpoze edilebilir elementin hareketini engelleyen bir baskılayıcının bulunmamasından kaynaklanmaktadır.
Bu nedenle, eğer A popülasyonundan damatlar ve B popülasyonundan gelinler geniş aileler yaratabiliyorsa, bunun tersi her zaman doğru değildir. Genetik olarak sağlıklı ebeveynlerden oluşan bir aile, çok sayıda mutant veya kısır çocuk üretebilir, hatta anne ve babanın genomlarında farklı hareketli elementler varsa çocuksuz bile kalabilir. Özellikle deney 29 ° C sıcaklıkta gerçekleştirilirse birçok ihlal ortaya çıkar. dış faktörler Genetik arka plan üzerine bindirilen genom uyumsuzluğunun etkisini arttırır, ancak bu faktörlerin kendileri (iyonlaştırıcı radyasyon bile) tek başına mobil elemanların bu kadar büyük hareketlerine neden olamaz.
Benzer olaylar Drosophila melanogaster diğer mobil eleman ailelerinin katılımıyla ortaya çıkabilir.
"Mobil" evrim
Hücresel genom, komşuların yalnızca bir arada var olduğu değil aynı zamanda birbirleriyle etkileşime girdiği, kalıcı ve geçici üyelerden oluşan bir tür ekosistem olarak düşünülebilir. Konakçı genlerin mobil elementlerle etkileşimi hala tam olarak anlaşılamamıştır, ancak önemli bir genin hasar görmesi durumunda organizmanın ölümünden daha önce hasar görmüş fonksiyonların restorasyonuna kadar birçok sonuç verilebilir.
Sıçrayan genlerin kendileri birbirleriyle etkileşime giriyor. Dolayısıyla, bir mobil elemanın halihazırda mevcut olanın yakınına nüfuz edemediği durumlarda bağışıklığa benzeyen bir olgu bilinmektedir. Bununla birlikte, tüm mobil unsurlar bu kadar hassas değildir: örneğin, P unsurları kolayca birbirine nüfuz edebilir ve diğer oyuncuları oyundan çıkarabilir.
Ayrıca genomdaki hareketli elemanların sayısında da bir tür öz düzenleme vardır. Gerçek şu ki, hareketli elemanlar birbirleriyle homolog bölgeleri değiştirebilirler - bu işleme denir rekombinasyon. Bu etkileşimin bir sonucu olarak hareketli elemanlar yönelimlerine bağlı olarak kaybolabilir ( silme) veya genişletin ( ters çevirme) aralarında bulunan konakçı DNA parçaları. Kromozomun önemli bir parçası kaybolursa genom ölür. Bir inversiyon veya küçük bir delesyon durumunda, evrim için gerekli bir koşul olarak kabul edilen kromozom çeşitliliği yaratılır.
Farklı kromozomlar üzerinde bulunan hareketli elementler arasında rekombinasyonlar meydana gelirse, sonuç, daha sonraki hücre bölünmeleri sırasında genom dengesizliğine yol açabilecek kromozomal yeniden düzenlemelerin oluşmasıdır. Dengesiz bir genom da dengesiz bir bütçe gibi çok zayıf bir şekilde bölünmüştür. Dolayısıyla başarısız genomların ölümü, aktif mobil elemanların kromozomları süresiz olarak doldurmamasının nedenlerinden biridir.
Doğal bir soru ortaya çıkıyor: Mobil unsurların evrime katkısı ne kadar önemli? İlk olarak, mobil elemanların çoğu, kabaca söylemek gerekirse, gerektiğinde dahil edilir ve bunun sonucunda, dahil edildikleri genin yapısına veya düzenlemesine zarar verebilir veya değiştirebilirler. Daha sonra doğal seçilim başarısız seçenekleri reddeder ve başarılı seçenekleri de uyarlanabilir özellikler sabittir.
Mobil bir unsurun eklenmesinin sonuçlarının nötr olduğu ortaya çıkarsa, bu varyant popülasyonda varlığını sürdürerek gen yapısında bir miktar çeşitlilik sağlayabilir. Bu yararlı olabilir elverişsiz koşullar. Teorik olarak, hareketli elemanların kitlesel hareketiyle, birçok gende aynı anda mutasyonlar ortaya çıkabilir ve bu, yaşam koşullarında keskin bir değişiklik olması durumunda çok faydalı olabilir.
Özetlemek gerekirse: genomda birçok hareketli unsur vardır ve bunlar farklıdır; hem birbirleriyle hem de konakçı genlerle etkileşime girebilirler; zarar verebilir ve yeri doldurulamaz olabilir. Hareketli elemanların hareketinin neden olduğu genomun istikrarsızlığı birey için trajediyle sonuçlanabilir, ancak hızlı bir şekilde değişme yeteneği - gerekli koşul Bir popülasyonun veya türün hayatta kalması. Bu sayede doğal seçilimin ve ardından gelen evrimsel dönüşümlerin temeli olan çeşitlilik yaratılır.
Sıçrayan genler ile göçmenler arasında bir benzetme yapılabilir: Bazı göçmenler veya onların soyundan gelenler eşit vatandaşlar haline gelir, diğerlerine oturma izni verilir ve yasalara uymayanlar sınır dışı edilir veya hapsedilir. Ve insanların kitlesel göçleri devletin kendisini hızla değiştirebilir.
Edebiyat
Ratner V. A., Vasilyeva L. A. Mobil genetik elemanların stres etkileriyle transpozisyonlarının indüksiyonu. Rus bağlayıcı. 2000.
Gvozdev V. A. Ökaryotların mobil DNA'sı // Soros eğitim dergisi. 1998. Sayı 8.