Drosophila genomunun şifresi çözülürken şunu tespit edildi. Tıbbi genetik
tamamen tanımlanmış. Bu nedenle nematod genomunun şifresinin çözülmesine yönelik çalışmanın oldukça başarılı olduğu değerlendirilmelidir.
Drosophila genomunun şifresinin çözülmesiyle daha da büyük bir başarı elde edilebilir.
Boyut olarak insan DNA'sından 2 kat daha küçük, nematod DNA'sından ise 20 kat daha büyük. Drosophila'nın yüksek derecede genetik bilgisine rağmen, genlerinin yaklaşık %10'u bu ana kadar bilinmiyordu. Ancak en paradoksal olan şey, nematoda kıyasla çok daha organize olan Drosophila'nın mikroskobik yuvarlak solucandan daha az gene sahip olmasıdır! Modern biyolojik bakış açısından bunu açıklamak zordur. Genetikçiler tarafından klasik bir deney nesnesi olarak yaygın olarak kullanılan, turpgiller familyasından bir bitkinin (Arabidopsis) şifresi çözülmüş genomunda Drosophila'dakinden daha fazla gen mevcuttur.
Genomik projelerin geliştirilmesine bilim ve teknolojinin birçok alanındaki yoğun gelişme eşlik etti. Böylece biyoenformatik, gelişimi için güçlü bir ivme kazandı. Büyük miktarda bilgiyi depolamak ve işlemek için yeni bir matematiksel aygıt oluşturuldu; benzeri görülmemiş güce sahip süper bilgisayar sistemleri tasarlandı; Gerçekleştirmenize izin veren binlerce program yazılmıştır. kıyaslamaçeşitli bilgi blokları, bilgisayar veritabanlarına günlük olarak yeni veriler girilir,
Dünya çapındaki çeşitli laboratuvarlarda elde edilen ve yeni bilgileri daha önce biriken bilgilere uyarlayan. Aynı zamanda genomun çeşitli elemanlarının etkin bir şekilde izolasyonu ve otomatik dizileme yani DNA'nın nükleotid dizilerinin belirlenmesi için sistemler geliştirildi. Bu temelde, sıralamayı önemli ölçüde hızlandıran ve daha ucuz hale getiren güçlü robotlar tasarlandı.
Genomik biliminin gelişimi de keşiflere yol açtı büyük miktar yeni gerçekler. Birçoğunun öneminin değerlendirilmesi gerekiyor
gelecek. Ancak şimdi bile bu keşiflerin birçok şeyin yeniden düşünülmesine yol açacağı aşikar. teorik hükümler Dünyadaki çeşitli yaşam formlarının ortaya çıkışı ve evrimi ile ilgili. Bireysel hücrelerin işleyişinin ve etkileşimlerinin altında yatan moleküler mekanizmaların daha iyi anlaşılmasına katkıda bulunacaklar; hala bilinmeyen birçok biyokimyasal döngünün ayrıntılı kodunun çözülmesi;
temel fizyolojik süreçlerle bağlantılarının analizi.
Dolayısıyla yapısal genomikten genetik bilime geçiş var.
işlevseldir ve bu da bunun için önkoşulları oluşturur.
Hücrelerin ve bir bütün olarak organizmanın işleyişinin moleküler temellerini araştırır.
Şimdi biriken bilgiler, içinde analiz konusu olacak
önümüzdeki birkaç on yıl. Ama her sonraki adımda
Farklı türlerin genomlarının yapısının deşifre edilmesi yönü, bilgi edinme sürecini kolaylaştıran yeni teknolojilerin ortaya çıkmasına neden olmaktadır. Bu yüzden,
Daha düşük organize olmuş canlı türlerinin genlerinin yapısı ve işlevine ilişkin verilerin kullanılması, araştırmayı önemli ölçüde hızlandırabilir
genlerin araştırılmasında oldukça emek yoğun moleküler yöntemlerin yerini alıyor.
Belirli bir türün genom yapısını çözmenin en önemli sonucu, onun tüm genlerini tanımlayabilme yeteneğidir ve
buna göre, kopyalanan RNA moleküllerinin ve tüm proteinlerinin moleküler yapısının tanımlanması ve belirlenmesi. Genoma benzetilerek, transkripsiyon sonucu oluşan RNA molekülleri havuzunu birleştiren transkriptom ve genler tarafından kodlanan birçok proteini içeren iproteom kavramları doğdu. Böylece genomik, yeni bilimlerin (proteomik ve bilim) yoğun gelişiminin temelini oluşturur. transkriptomik. Proteomik, her bir proteinin yapısı ve fonksiyonunun incelenmesidir; hücrenin protein bileşiminin analizi; bireysel bir hücrenin işleyişinin moleküler temelinin belirlenmesi;
Yüzlerce proteinin koordineli çalışmasının sonucu olan ve
Bir organizmanın fenotipik özelliğinin oluşumunun incelenmesi,
milyarlarca hücrenin koordineli çalışması sonucu ortaya çıkar.
Çok önemli biyolojik süreçler de RNA seviyesinde meydana gelir. Analizleri transkriptomiklerin konusudur.
Dünyanın birçok ülkesinden genomik alanında çalışan bilim adamlarının en büyük çabaları uluslararası “İnsan Genomu” projesini çözmeye yönelikti. Bu alanda önemli ilerleme fikrin uygulanmasıyla ilişkilidir,
J. S. Venter tarafından önerildi, araştırın ve analiz edin
Daha sonra genomun belirli bölgelerinin bir tür "etiketi" veya işaretçisi olarak kullanılabilen eksprese edilmiş DNA dizileri. Fr. liderliğindeki grubun çalışmasında bağımsız ve daha az verimli olmayan bir yaklaşım daha kullanıldı.
Collins. Kalıtsal insan hastalıkları için genlerin birincil tanımlanmasına dayanmaktadır.
İnsan genomunun yapısının çözülmesi sansasyonel bir keşfe yol açtı. İnsan genomunun yalnızca 32.000 gen içerdiği ortaya çıktı; bu, protein sayısından birkaç kat daha az. Aynı zamanda protein kodlayan genlerin sayısı yalnızca 24.000'dir; geri kalan genlerin ürünleri ise RNA molekülleridir.
Farklı bireyler, etnik gruplar ve ırklar arasındaki DNA nükleotid dizilerindeki benzerlik yüzdesi %99,9'dur.
Bizi insan yapan da bu benzerliktir: Homo sapiens! Nükleotid seviyesindeki tüm değişkenliğimiz çok mütevazı bir rakama uyuyor: %0,1.
Dolayısıyla genetik, ulusal veya ırksal üstünlük fikirlerine yer bırakmaz.
Ama birbirimize bakalım; hepimiz farklıyız. Ulusal ve hatta daha da önemlisi, ırksal farklılıklar daha da belirgindir. Peki insan değişkenliğini yüzde olarak değil mutlak anlamda kaç mutasyon belirliyor? Bu tahmini elde etmek için genomun boyutunun ne olduğunu hatırlamanız gerekir. Bir insan DNA molekülünün uzunluğu
3,2x109 baz çifti. Bunun %0,1'i 3,2 milyon nükleotiddir. Ancak genomun kodlayıcı kısmının DNA molekülünün toplam uzunluğunun %3'ünden daha azını kapladığını ve bu bölge dışındaki mutasyonların çoğunlukla fenotipik değişkenlik üzerinde herhangi bir etkisi olmadığını unutmayın. Dolayısıyla fenotipi etkileyen mutasyonların sayısının tam bir tahminini elde etmek için 3,2 milyon nükleotidin %3'ünü almamız gerekir, bu da bize 100.000 civarında bir rakam verecektir. Yani fenotipimizi oluşturan yaklaşık 100 bin mutasyon vardır. değişkenlik. Bu rakamı karşılaştırırsak toplam sayı Gen başına ortalama 3-4 mutasyon olduğu ortaya çıkıyor.
Bu mutasyonlar nelerdir? Bunların büyük çoğunluğu (en az %70)
bizi ayıran, patolojik olmayan bireysel değişkenliğimizi belirler, ancak birbirimize göre bizi daha da kötüleştirmez. Bu, göz rengi, saç, cilt, vücut tipi, boy, kilo gibi özellikleri içerir.
aynı zamanda davranış türü büyük ölçüde genetik olarak belirlenir ve çok daha fazlası. Mutasyonların yaklaşık %5'i monogenik hastalıklarla ilişkilidir. Geriye kalan mutasyonların yaklaşık dörtte biri fonksiyonel polimorfizm sınıfına aittir. Yaygın çok faktörlü patolojiye kalıtsal yatkınlığın oluşumunda rol oynarlar. Elbette bu tahminler oldukça kaba.
ancak insan kalıtsal değişkenliğinin yapısını yargılamayı mümkün kılarlar.
Bölüm 1.16. Evrimin moleküler genetik temeli
Milenyumun başında gerçekleşen devrim moleküler biyoloji Yüzlerce mikroorganizma türünün yanı sıra bazı protozoa türlerinin genomlarının yapısının deşifre edilmesiyle sonuçlanan bu çalışma,
maya, bitkiler, hayvanlar ve insanlar, klasik genetiğin pek çok geleneksel fikrini alt üst etti ve evrimin ve türleşmenin moleküler mekanizmalarının incelenmesi olasılığını çok yakına getirdi. Yeni bir bilim doğdu; karşılaştırmalı genomik,
bireysel moleküller düzeyinde meydana gelen evrimsel açıdan önemli olayların çeşitli filogenetik çizgilerindeki görünümünü kaydetmeyi mümkün kılar. Genel durumda, evrimsel ilerlemenin yalnızca sayı, kapsam ve hatta karmaşıklıktaki artışla ilişkili olmadığı ortaya çıktı. yapısal organizasyon genler, ancak çok daha büyük ölçüde, onbinlerce genin ifadesinin koordinasyonunu ve doku özgüllüğünü belirleyen işlerinin düzenlenmesindeki değişikliklerle. Bu sonuçta, temelde yeni görevleri yerine getirebilen etkileşimli proteinlerin daha karmaşık, oldukça spesifik, çok işlevli komplekslerinin daha yüksek organizmalarda ortaya çıkmasına yol açtı.
Evrim sürecinde meydana gelen değişikliklerin doğasını üç bilgi düzeyinde ele alalım: DNA - RNA - protein veya genom - transkriptom - proteom. Genel olarak yaşamın organizasyonunun karmaşıklığı arttıkça genom boyutunun da arttığını söyleyebiliriz. Böylece prokaryotların DNA boyutu 8x106 bp'yi aşmaz, maya ve protozoada iki kat, böceklerde 10-15 kat, memelilerde ise artış 3 kat yani bin kata ulaşır (103). ).
Ancak bu bağımlılık doğrusal değildir. Dolayısıyla memelilerde genom boyutunda artık önemli bir artış gözlemlemiyoruz. Ayrıca genomun büyüklüğü ile yaşamın organizasyonunun karmaşıklığı arasındaki ilişkiyi gözlemlemek her zaman mümkün olmuyor. Bu nedenle, bazı bitkilerde genom boyutu insanlardan birkaç kat, hatta iki kat daha büyüktür. Prokaryotlara kıyasla ökaryotların genom büyüklüğündeki artışın esas olarak kodlamayan dizilerin, yani isteğe bağlı elemanların ortaya çıkmasından kaynaklandığını hatırlayalım. İnsan genomunda eksonların toplamının% 1-3'ten fazla olmadığını zaten söylemiştik. Bu, yüksek organizmalardaki gen sayısının mikroorganizmalardakinin yalnızca birkaç katı olabileceği anlamına gelir.
Ökaryotik organizasyonun artan karmaşıklığı kısmen ortaya çıkmasından kaynaklanmaktadır. ek sistem için gerekli düzenleme
gen ifadesinin doku özgüllüğünün sağlanması. Ökaryotlarda ortaya çıkan genlerin süreksiz organizasyonunun sonuçlarından biri, alternatif birleştirme ve alternatif transkripsiyonun yaygın olarak ortaya çıkmasıydı. Bu, çok sayıda gende yeni bir özelliğin ortaya çıkmasına yol açtı: işlevsel olarak farklı birçok protein izoformunu kodlama yeteneği. Böylece toplam protein miktarı
yani proteomun boyutu daha yüksek olanlarda gen sayısının birkaç katı olabilir.
Prokaryotlarda gen sayısında tür içi değişkenliğe izin verilir ve
birçok mikroorganizmanın farklı türleri arasındaki benzer farklılıklar
patojenik olanlar da dahil olmak üzere yüzde onlarcaya ulaşabilir. Aynı zamanda organizasyonun karmaşıklığı çeşitli türler Mikroorganizmaların kodlama dizilerinin sayısı ve kapsamı ile doğrudan ilişkisi vardır.
Bu nedenle, fenotipik tür içi ve türler arası değişkenlik, çok benzer transkriptom ve proteom boyutlarıyla sıkı bir ilişki içindedir. Ökaryotlarda gen sayısı, kesin olarak belirlenmiş bir tür özelliğidir ve evrimsel karmaşıklıktaki artış başka bir prensibe dayanmaktadır: sınırlı ve oldukça kararlı bir proteomun çeşitli bileşenlerinin farklı çok düzeyli kullanımı.
Nematod ve Drosophila genomlarının dizilenmesi, bu çok farklı türlerdeki proteomların boyutlarının çok benzer olduğunu ve maya ve bazı bakteri türlerininkinden yalnızca iki kat daha büyük olduğunu gösterdi. Bu model (çeşitli yaşam formlarının organizasyonunun karmaşıklığında önemli bir artış veya proteom boyutunda nispeten küçük bir artış) insanlara kadar sonraki tüm evrimin karakteristiğidir. Bu yüzden,
İnsanların ve farelerin proteomları pratikte birbirinden farklı değildir ve mikroskobik yuvarlak kurtçuk yuvarlak solucanının veya meyve sineği Drosophila'nın proteomlarından 2 kat daha küçüktür. Ayrıca insan DNA'sının nükleotid dizilerinin kimliği ve
büyük maymunlarda bu oran %98,5'tir ve kodlama bölgelerinde bu oran %99'a ulaşır. Bu rakamlar %99,9 değerinden çok az farklılık gösteriyor,
Gezegenimizde yaşayan farklı bireyler, insanlar ve ırklar arasındaki DNA nükleotid dizilerindeki tür içi benzerliğin belirlenmesi. Peki, tüm genomun %1,5'inden fazlasını oluşturmayan hangi değişiklikler kişinin oluşumunun anahtarıdır? Görünüşe göre bu sorunun cevabı sadece genomik ve proteomik seviyelerde aranmamalı.
Aslında, proteomun göreceli stabilitesinin yanı sıra,
Evrim sürecinde, çok sayıda kopyalanmış ve kodlayıcı olmayan DNA'nın genomunda ortaya çıkmasının yanı sıra ökaryotik transkriptomun organizasyonunun boyutunda ve karmaşıklığında keskin bir artış vardır. RNA kodlayan genlerin sınıfı. Ana kaynağı intron olan proteinleri kodlamayan RNA'lar,
yüksek organizmaların transkriptomunun büyük çoğunluğunu oluşturur,
tüm transkripsiyon birimlerinin %97-98'ine ulaşıyor. Bu moleküllerin fonksiyonları şu anda yoğun bir şekilde analiz edilmektedir.
Böylece, genom boyutunda bir artış, oldukça stabil bir proteom ve transkriptom boyutunda keskin bir artış arka planında önemli evrimsel değişiklikler meydana gelir - Şekil 1. 31.
Şekil 31. Üçte meydana gelen evrimsel değişiklikler
bilgi düzeyleri Aynı zamanda basit yaşam biçimlerinden daha karmaşık yaşam biçimlerine geçiş de açıktır.
Bu, iki temel ve bir dereceye kadar birbiriyle ilişkili evrimsel edinimin genomunda ortaya çıkışı ve yaygın dağılımı ile ilişkilidir: kodlamayan DNA ve tekrarlayan elementler. Genomik düzeyde meydana gelen bu değişikliklerin doğrudan bir sonucu, çok sayıda protein kodlamayan RNA'nın evrim sürecinde ortaya çıkmasıdır.
Bu evrimsel dönüşümlerin yapısal temeli nedir?
Tüm önemli evrimsel geçişlere (prokaryotlardan ökaryotlara, tek hücrelilerden metazoanlara, ilk hayvanlardan çift taraflı canlılara ve ilkel kordalılardan omurgalılara) genom karmaşıklığında keskin bir artış eşlik etti. Görünüşe göre, evrimdeki bu tür sıçramalar, birbirinden önemli ölçüde ayrılan sistematik sınıflara ait farklı türlerin tüm genomlarının başarılı bir şekilde birleştiği nadir vakaların sonucudur. Böylece Archaea ve Bakterilerin ortakyaşamı, prokaryotlardan ökaryotlara geçişin başlangıcını işaret ediyordu. Mitokondri, kloroplast ve diğer bazı hücre organellerinin de endosembiyoz sonucunda ortaya çıktığı açıktır. Yüksek ökaryotların temel bir özelliği olan diploidi, yaklaşık 500 milyon yıl önce meydana gelen iyi düzenlenmiş genomik kopyalamanın bir sonucu olarak ortaya çıktı.
Bir tür içindeki genomik kopyalar oldukça sık meydana geliyordu ve
bunun örnekleri bitkilerdeki çok sayıda poliploidi vakasıdır,
mantarlarda ve hatta bazen hayvanlarda. Ancak potansiyel mekanizmalar
Evrim sürecinde temelde yeni yaşam formlarının ortaya çıkmasına yol açan otopoliploidi değil, hibridizasyon ve genomların yatay transferi veya füzyonudur. Tüm genomların kaynaşmasının eşlik ettiği en önemli evrimsel dönüşümlerin, olağanüstü koşullar altında, atmosferdeki oksijen konsantrasyonundaki değişiklikler, Dünya'nın buzullaşması veya Kambriyen gibi büyük jeolojik geçiş dönemlerinde meydana gelmesi dikkat çekicidir. Patlama.
Nispeten sakin jeolojik koşullarda, tek tek genlerin veya kromozomal bölümlerin kopyalanması ve bunların ardından gelen ayrışmanın evrim açısından daha önemli olduğu ortaya çıkar. Dizili genomların nükleotid dizilerinin karşılaştırılması, gen kopyalarının sıklığının oldukça yüksek olduğunu ve ortalama olarak milyon yılda gen başına 0,01 olduğunu göstermektedir. Bunların büyük çoğunluğu önümüzdeki birkaç milyon yıl içinde kendilerini göstermezler ve yalnızca nadir durumlarda
Bazı durumlarda kopyalanan genler yeni uyarlanabilir işlevler kazanabilir. Bununla birlikte, geniş bir "sessiz" gen kopyaları sınıfı, yeni genlerin doğuşu ve yeni türlerin oluşumu için bir tür rezerv fonu görevi görmektedir. İnsan genomu, mRNA'nın retropozisyonuyla ortaya çıkan işlenmiş genlerin 10 ila 20 bin kopyasını içerir.
Bunların çoğu psödojen sınıfına aittir, yani mutasyonların varlığından veya genomun transkripsiyonel olarak aktif olmayan bölgelerine yerleştirmelerden dolayı ifade edilmezler. Ancak bu genlerin bazıları aktiftir ve ifadelerinin doğası, hatta işlevleri farklı olabilir.
kurucu genlerden daha fazladır.
Primatların ve insanların evriminde özel bir rol oynarlar. bölümsel kopyalar, düşük kopya tekrarları (LCR) sınıfına ait ve
35 milyon yıldan daha kısa bir süre önce ortaya çıktı. Bu diziler, boyutları bir ila birkaç yüz kilobaz arasında değişen, oldukça özdeş DNA bloklarıdır. Çoğu zaman segmental kopyalar perisentromerik veya telomerik bölgelerde lokalize olur. farklı kromozomlar ve toplamda insan genomunun yaklaşık %5'ini kaplarlar.
Sıralanan diğer genomlarda hiçbir segmental kopya bulunamadı.
Duplikon olarak adlandırılan minimum segmental çoğaltma modülü, ilgisiz işlenmemiş genlerin parçalarını içerir ve
bu onu bilinen diğer tekrarlanan dizi türlerinden ayırır. Belirli koşullar altında, duplikonlar, yeni kimerik kopyalanmış genlerin veya içlerinde mevcut olan çeşitli kodlama ekson kombinasyonlarından gen ailelerinin yaratılması için kaynak olarak hizmet edebilir. Şempanze ve insan genomlarını 150 ila 350 arasında genin ayırt edebildiği tahmin edilmektedir.
Türleşme için yeni kodlama dizilerinin ortaya çıkmasının ve eski kodlama dizilerinin ortadan kaybolmasının önemini azaltmadan, diğer mekanizmaların varlığının gerçek olasılığını vurgulamalıyız.
ökaryotların evriminde belirleyici bir rol oynar.
Evrimin itici mekanizmalarından biri, bu bağlamda incelenen tüm türlerde bulunan hareketli elementlerdir.
Türleşme sürecine eşlik eden genom değişiklikleri, kapsamlı karyotip yeniden organizasyonlarını, lokal kromozomal yeniden düzenlemeleri, gen ailelerinin kopyalarını, bireysel genlerin modifikasyonlarını,
hem transkripsiyon düzeyinde hem de ekleme veya çeviri düzeyinde düzenlenen gen ifadesindeki farklılıkların yanı sıra doğumları veya kayıpları da eşlik eder. Mobil unsurlar tüm bu süreçlerle doğrudan ilişkilidir.
Bazı durumlarda, transpoze edilebilir elemanların kendisi, varlığı DNA transpozisyonu veya RNA retropozisyonu için gerekli olan enzimleri kodlayan dizileri taşır.
Benzer diziler retrovirüslerin genomunda da mevcuttur, LTR-
Elementler ve transpozonlar. Retrotranspozonlar aynı zamanda çok sayıda yeri değiştirilebilen element sınıfını da içerir: Alu tekrarları. İlk kez Alu-
Tekrarlar primatlarda yaklaşık 50-60 milyon yıl önce küçük bir RNA kodlayan genden ortaya çıkıyor. Daha ileri evrim sürecinde bu ailenin farklılaşması ve güçlü bir şekilde genişlemesi meydana gelir. Primatlardan insana geçişe sayılarda büyük bir artış eşlik ediyor
Alu, bazı tahminlere göre kopya sayısı
1,1 milyon. Alu tekrarları insan genomunun yaklaşık %10'unu kaplar, ancak çoğunlukla genlerle ilişkili olduklarından dağılımları eşit değildir. Bu elementler kodlayıcı ekzonlarda nadiren bulunur ve sıklıkla intronlarda ve mRNA'nın kodlayıcı olmayan bölgelerinde bulunur ve bu moleküllerin stabilitesini ve/veya çeviri verimliliğini etkiler. Genlerin intronik bölgelerinde Alu dizilerinin varlığına, preRNA işleminin doğasında bir değişiklik eşlik edebilir, çünkü bu diziler, donör ve alıcı ekleme bölgelerine homolog bölgeler içerir. Alu elementleri bir genin düzenleyici bölgelerine yerleştirildiğinde transkripsiyon bozulabilir ve sonuç olarak
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 keşif sayesinde McClintock 1983'te Nobel Ödülü'ne layık görüldü; bugün üzerinde çalışılan 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 enzim protein moleküllerinin farklı uzunluklarını ve fonksiyonlarını 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. Yani 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 tür 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, sonraki hücre bölünmeleri sırasında genom dengesizliğine yol açabilecek kromozomal yeniden düzenlemelerin oluşmasıdır. Dengesiz bir genom da dengesiz bir bütçe gibi çok kötü 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, ihtiyaç duyulan her yere 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, olumsuz koşullarda kullanışlı olabilir. Teorik olarak, hareketli elemanların büyük 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 elementlerin hareketi nedeniyle 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.
© M.D. Golubovsky
Kanonik olmayan kalıtsal değişiklikler
MD Golubovski
Mihail Davidoviç Golubovski, Biyolojik Bilimler Doktoru, Öncü Araştırmacı
Rusya Bilimler Akademisi Doğa Bilimleri ve Teknoloji Tarihi Enstitüsü'nün St. Petersburg şubesi.
Bir bilim olarak genetik, Mendel yasalarının ikincil keşfinden sonra 100 yıl önce şekillendi. Hızlı gelişimi dikkat çekti son yıllar Düzinelerce türün DNA genomunun nükleotid bileşiminin şifresi çözülüyor. Yeni bilgi dalları ortaya çıktı: genomik, moleküler paleogenetik. 2001'in başlarında, 10 yıllık pahalı bir anlaşmanın parçası olarak uluslararası programİnsan genomunun temel şifresinin çözüldüğünü duyurdu. Bu başarılar belki de insanın uzay yürüyüşüne ve aya ayak basmasına benzetilebilir.
Genetik mühendisliği ve biyoteknoloji bilimin çehresini büyük ölçüde değiştirdi. İşte en son raporda zaten yer alan ilginç bir bölüm: “1998'den sonra, küresel İnsan Genomu Projesi topluluğunun 1.100 bilim insanı ile özel sermaye şirketi Celera Genomics arasında benzeri görülmemiş bir yarış başladı.”. Firma, bitiş çizgisine ilk ulaşan olmayı ve insan DNA'sının parçalarının patentlenmesinden faydalanmayı umuyordu. Ancak şu ana kadar prensip kazandı: "Doğanın ve Tanrı'nın yarattığı şey, insan tarafından patentlenemez."
Gregor Mendel, manastır bahçesinin sessizliğinde her yıl yavaş yavaş deneylerini sürdürürken bu kadar hayali bir tablo hayal edebilir miydi? Bilimin doğal öz gelişimini ne ölçüde dönüştürüyor? Genomların toplam DNA analizi gerçekten tüm örtüleri ortadan kaldırır mı? Pinokyo'nun gizli kapının değerli altın anahtarını çoktan bulduğuna dair umutlar, öngörülemeyen gerçeklikler ve paradokslarla çatıştı. İnsanlarda, genomdaki DNA'nın yalnızca %3'ü proteinleri kodlar ve belki diğer %20-25'i de gen eyleminin düzenlenmesinde rol oynar. İşlev nedir ve DNA'nın geri kalanında bu işlev var mı? Genomdaki genler bazen aktif olmayan ve muhtemelen "çöp" dizilerden oluşan bir denizdeki küçük adalarla karşılaştırılır. DNA yarışı bazen şu deyime benzer: "Bunu getir, ne olduğunu bilmiyorum."
Şüphecilerin itirazları hiçbir şekilde ortadan kaldırılamaz. Gerçekten de, tam sıralamayla, belirli bir DNA bölümünün (modaya uygun bir terimle) "gen sıralamasına" aday gösterilmesi yalnızca tamamen resmi kriterler (transkripsiyon için gerekli genetik noktalama işaretleri) temelinde gerçekleştirilir. Çoğu "aday genin" rolü, zamanı ve etki yeri hala tamamen belirsizdir.
Ancak başka bir sorun daha var. Genomla, yalnızca belirli bir dizi DNA elementinin yapısını değil, aynı zamanda belirli çevresel koşullarda intogenezin seyrini belirleyen aralarındaki bağlantıların doğasını da içeren tüm kalıtsal sistemi anlamalıyız. Sistemik bir üçlü vardır: öğeler, aralarındaki bağlantılar ve bütünlüğün özellikleri. Bu bizi önemli bir sonuca götürüyor: DNA düzeyinde genlerin yapısına ilişkin bilgi gereklidir, ancak genomu tanımlamak için kesinlikle yeterli değildir. Sadece dinamik organizasyon yöntemini ve kanonik olmayan miras biçimlerini anlamanın eşiğindeyiz [,].
Beklenmedik bir şekilde, yirminci yüzyılın sonunda. Kalıtsal değişkenliğin sınırlarının ve spektrumunun ne olduğu sorusu tamamen akademik tartışmaların ötesine geçmiştir. Önce İngiltere'de, ardından Almanya'da, hasta hayvanların etleri yoluyla insanlara bulaşabilen nörodejeneratif bir anomali nedeniyle sığırlar kesilmek zorunda kaldı. Bulaşıcı ajanın DNA veya RNA değil, prion adı verilen proteinler olduğu ortaya çıktı (İngiliz prionlarından - protein bulaşıcı parçacıklar - protein bulaşıcı parçacıklar).
Araştırmacılar bu olağandışı tezahürle ilk kez 60'lı yıllarda karşılaştılar. Ancak daha sonra bu olguyu klasik kavramlar çerçevesinde yorumlamaya çalıştılar ve bunların hayvanlardaki "yavaş viral enfeksiyonlar" ya da mayadaki özel bir tür baskılayıcı mutasyon olduğuna inandılar. Şimdi ortaya çıktı “Prion fenomeni, memelilere özgü egzotik bir fenomen değil, daha ziyade genel bir biyolojik mekanizmanın özel bir durumudur” dinamik miras. Enfeksiyon türüne göre tür içi ve türler arası bulaşma olasılığını hesaba katmak için moleküler genetiğin merkezi dogmasının desteklenmesi gerekmesi muhtemeldir.
80'lerin başında, moleküler biyoloji ve genetik klasiği R.B. Khesin, kanonik olmayan kalıtsal değişkenliğin üç biçimini tanımladı: lokuslarda ve DNA tekrarlarından oluşan kromozom bölgelerinde rastgele olmayan sıralı değişiklikler; sitoplazmik özelliklerin değişimi ve kalıtımı; yerel ve epigenetik kalıtım genel değişiklikler kromatin ambalajı. Daha sonra davranışları genom değişkenliği sorununa yol açan mobil genler eklendi.
Bu makalenin amacı şunu göstermektir. farklı şekiller Mendel dışı kalıtım bir istisna değil, genom organizasyonu hakkındaki daha genel fikirlerin bir sonucudur. Kalıtsal değişiklikler hiçbir şekilde sadece mutasyonlara indirgenemez.
Andre Lvov ve keşfinin rolü
Şaşırtıcı bir tesadüf eseri, aynı 1953 yılında, modern genetiğin yüzünü belirleyen iki makale ortaya çıktı: J. Watson ve F. Crick tarafından DNA'nın çift sarmalının keşfi ve A. tarafından bakterilerin profajı ve lizojeni kavramı. Lvov (1902-1994), benim görüşüme göre, artık biyoloji, tıp ve genetik açısından DNA'nın çift sarmalından daha az önemli değil.
Lvov, fajın bir bakterinin kromozomuna entegre edilebileceğini ve sıradan bir bakteri geni gibi birçok nesile aktarılabileceğini tespit etti. Bu durumda fajda yalnızca baskılayıcı gen çalışır ve bu da diğer tüm lokusların çalışmasını engeller. Genomunda bir faj bulunan bir bakteriye lizojenik, entegre faja ise profaj adı verilir. Böyle bir lizojenik bakteri, diğer fajların neden olduğu enfeksiyondan korunur. Ultraviyole radyasyonun veya hücrenin iç ortamındaki değişikliklerin etkisi altında baskılayıcı etkisiz hale gelir, blokaj kaldırılır ve faj çoğalarak hücre ölümüne neden olur. Artık bu keşfin ne kadar devrim niteliğinde olduğunu hayal etmek bile zor.
Andre Lvov Rusya'dan geliyor; ailesi 19. yüzyılın sonunda Fransa'ya göç etti. Bilim adamının annesi Maria Siminovich'in görüntüsü sonsuza kadar sanatçı V. Serov'un “Güneş Tarafından Aydınlatılan Kız” (1888) tuvalinde yakalanmıştır. Maria Yakovlevna Lvova-Siminovich 90 yaşına kadar yaşadı. İkinci Dünya Savaşı'ndan birkaç hafta önce V. Serov'un mektuplarını ve çizimlerini Tretyakov Galerisi'ne bağışladı. Lvov'un babası Mechnikov'u tanıyordu ve oğlunu onu görmek için Pasteur Enstitüsü'ne götürdü. Kültürün ipleri yüzyıllar ve ülkeler arasında bu şekilde uzanıyor ve iç içe geçiyor. benim için uzun ömür A. Lvov sırasıyla protozoolog, bakteriyolog, biyokimyacı, genetikçi ve son olarak virolog olarak çalıştı. Pasteur Enstitüsü'nde, operonun keşfi için 1965 Nobel Ödülünü ustayla paylaşan J. Monod ve F. Jacob'u himaye etti.
Zaten 20'li yıllardan beri, fajları gizli durumda taşıdığı ve zaman zaman hücre lizisine neden olduğu iddia edilen bakteri türleri biliniyordu. Bununla birlikte, bakteriyofajinin kaşifi F.D. Herrel, faja yalnızca hücre öldürücü bir ajan olarak baktı ve onun gizli durumunu düşünmesine izin vermedi. Gerçek şu ki, moleküler genetiğin klasiği M. Delbrück tarafından paylaşıldı. ABD'deki meslektaşları, bakterilerin kromozomuna entegre olamayan T-fajlar üzerinde çalıştı. "Otorite şeytanı" nedeniyle lizojeni, 20'li yıllardan bu yana titizlikle çalışılmıyor. Pasteur Enstitüsü'nden parlak bir mikrobiyolog olan Eugene Wolman, Paris'i işgal eden bir Yahudi olarak Almanlar tarafından yakalandı ve öldü.
Savaştan sonra Lvov, Pasteur Enstitüsü'nde gizli faj taşıyıcılığı konusundaki araştırmalarına yeniden başladı. 1953'te tutarlı bir profaj kavramı yarattı ve bunun viral kanser teorisi ve insanlardaki bir dizi viral patoloji açısından önemini hemen fark etti. Onun lizogeni fenomenine ilişkin net diyagramı hâlâ moleküler genetikle ilgili tüm raporlarda verilmektedir.
1958'de F. Jacob ve Elias Wolman (Eugene Wolman'ın oğlu), serbest halde bulunabilen veya konakçı genomuna entegre olabilen elementler için "epizom" terimini tanıttı. Bunlar arasında ılıman fajlar, bakterilerin cinsiyet faktörü ve bazı bakteri türlerinin diğer bakterileri öldürmesini sağlayan kosinojenite faktörleri epizom olarak yer alıyordu. 1961'de yazılan (ve ünlü genetikçi S.I. Alikhanyan'ın çabalarıyla ertesi yıl Rusça çevirisiyle yayınlanan) dikkat çekici "Bakterilerin Cinsiyeti ve Genetiği" kitabında yazarlar, daha yüksek organizmalarda epizom benzeri unsurların varlığını kurnazca öngörmüşlerdi. 50'li yılların başında B. McClintock tarafından keşfedilen “kontrol unsurlarına” işaret ediyor ( Nobel Ödülü fizyoloji ve tıp alanında 1983). Ancak o zamanlar bu benzetmenin ne kadar derin olduğunu anlamamışlardı. 70'li yılların başlarında viral DNA'nın bakterilerin hücresel genomuna dahil edilmesinin neden olduğu ekleme mutasyonlarının keşfinden sonra, iki yönlü geçişlerden oluşan evrimsel bir dizi oluşturmak mümkün hale geldi: ekleme bölümleri, transpozonlar, plazmidler, fajlar.
Ökaryotlarda da benzer dönüşüm serileri bulunmuştur. Drosophila'da çingene (“çingene”) ailesinin hareketli unsurları, kromozomun içine yerleştirilmiş kopyalar biçiminde mevcut olabilir; sitoplazmada tam veya azaltılmış dairesel veya doğrusal plazmidler formunda olabilir; Son olarak, konağın genomunda bireysel "izin veren" mutasyonlar olması durumunda, kendilerini bir zarfla kaplayabilir, gerçek bulaşıcı retrovirüsler haline gelebilir ve yabancı konakçıları gıda yoluyla enfekte edebilirler. Drosophila'daki P-transpozonların ve insanlardaki endojen retrovirüs HIV'in benzerliği (Tablo), insan popülasyonlarındaki olası evrimsel genetik olayları, şimdi ve gelecekte yabancı genomlarla kaçınılmaz temasların kaderini tahmin etmemizi sağlar.
Fakültatiflik ilkesi ve genelleştirilmiş genom kavramı
Transpoze edilebilir elementlerle ilişkili değişkenlik olgularının çoğu, gen lokuslarının yapısında, sayısında veya konumunda lokalize değişiklikler olarak mutasyon kavramına uymaz. Klasik ve "mobil" genetiğin verilerini birleştirmek için 1985'te genom elemanlarının doğal bir sınıflandırmasını önerdim; bu sınıflandırma iki alt sistem içeriyordu: zorunlu (kromozomlardaki genler ve bunların düzenleyici bölgeleri) ve fakültatif elemanlar (DNA ve RNA taşıyıcıları, sayıları) ve topoğrafyası değişiklik gösteren farklı hücreler veya aynı türden organizmalar).
Bu sınıflandırmadan, pek çok şeyi anlamamızı veya formüle etmemizi sağlayan önemli sonuçlar çıkmaktadır. olağandışı gerçekler kalıtsal değişkenlik alanından. Bunlardan bazılarını isimlendirelim:
- isteğe bağlılığın evrenselliği. Tıpkı yalnızca iskelet iskeletinden oluşan canlı organizmalar olmadığı gibi, yalnızca zorunlu öğelerden oluşan tür genomları da yoktur;
- yavru hücrelerin genetik kimliksizliği. Rastgelelik nedeniyle sitoplazmik fakültatif elementlerin sayısı ve bileşimi bakımından farklılık gösterirler. Zorunlu ve fakültatif DNA elementlerinin fraksiyonlarının oranı, nispeten kararlı bir tür özelliğidir. Benzer sayıda gen lokusuna sahip olan, yakın akraba türler, DNA miktarı açısından 2-5 veya daha fazla kez farklılık gösterebilir, tekrar bloklarını artırabilir ve genomik topografilerini değiştirebilir. Genomun zorunlu ve fakültatif kısımları arasında sürekli olarak çeşitli geçişler gözlenir. En belirgin örnekler, transpoze edilebilir elemanların eklenmesi (eklenmesi) veya kromozom segmentlerinin sayısının çoğalması (amplifikasyonu) ve bunların farklı kromozom içi ve kromozom dışı durumlara geçişinden kaynaklanan gen mutasyonlarıdır;
- iki genom alt sisteminin her biri için karakteristik bir kalıtsal varyasyon türü. Morgan mutasyonları zorunlu bileşenle kolayca ilişkilendirilir. İsteğe bağlı öğelerin sayısı ve topografyasındaki çeşitli kalıtsal değişiklikleri "varyasyonlar" olarak adlandırmayı önerdim (müzikte olduğu gibi - belirli bir temanın varyasyonları). Klasik kavramlara göre mutasyonlar, kural olarak, rastgele, bireysel bireylerde düşük bir sıklıkta meydana gelir. Varyasyonların doğası tamamen farklıdır - mutajenik olmayan zayıf faktörler (sıcaklık, diyet vb.) dahil olmak üzere çeşitli faktörlerin etkisi altında burada büyük, düzenli değişiklikler mümkündür;
- Çoğu doğal kalıtsal değişikliğin iki aşamalı doğası. İlk olarak, çevresel değişikliklere en duyarlı olan fakültatif unsurlar etkinleştirilir. Daha sonra gen lokusları dolaylı olarak etkilenmeye başlar. Yıllarca doğada mutasyon salgınlarını gözlemledikten sonra bu sonuca vardık. Birçoğunun kararsız olduğu ve doğada zaman zaman gizemli bir şekilde etkinleştirilen yer değiştirebilen elementlerin eklenmesinden kaynaklandığı ortaya çıktı. Drosophila'da doğada veya laboratuvarda kendiliğinden ortaya çıkan mutasyonların yaklaşık %70'i hareketli elementlerin hareketleriyle ilişkilidir.
Genomun zorunlu ve fakültatif unsurların bir topluluğu olduğu genelleştirilmiş fikri, yalnızca yabancı genlerin nükleer kromozomlara entegrasyonunu içermeyen "yatay transfer" kavramını da genişletir. Yeni özelliklerin ve özelliklerin ortaya çıktığı iki genetik sistemin istikrarlı bir birlikteliğinin yaratılması durumunda yatay transferden zaten bahsedebiliriz.
Genomun işlevsel isteğe bağlılığı
Kalıtsal değişiklikler, herhangi bir canlı organizmanın kalıtsal materyali ile çalışan süreçlerdeki hataların bir sonucu olarak ortaya çıkar - replikasyon, transkripsiyon, çeviri, onarım ve rekombinasyon.
Fakültatif replikasyon, hücre bölünmesi sırasında tüm genomik DNA'nın planlanan düzenli replikasyonuna bakılmaksızın, bireysel DNA bölümlerinin nispeten otonom hiper veya hipo replikasyonu olasılığı anlamına gelir. Tekrarlı kromozom bölümleri, heterokromatin blokları bu özelliklere sahiptir. Bu durumda, özerk çoğaltma, bireysel bölümlerin sayısında bir artışa yol açar ve kural olarak uyarlanabilir bir yapıya sahiptir.
Transkripsiyonun fakültatifliği, birden fazla promotörün varlığı ve belirli bir lokustaki alternatif ekleme nedeniyle aynı şablondan farklı mRNA'ların ortaya çıkma olasılığından oluşur. Bu durum birçok gen için normaldir.
Çevirinin belirsizliği (S.G. Inge-Vechtomov'un terminolojisinde) şu şekilde ortaya çıkıyor: farklı seçenekler aynı kodonun, örneğin bir durdurma kodonunun veya sentezlenmiş bir proteine belirli bir amino asidin dahil edilmesine yönelik bir kodonun tanınması. Bu çeviri hücredeki fizyolojik koşullara ve genotipe bağlıdır.
M.E. Lobashev'in mutasyon süreci teorisine göre, mutasyonun ortaya çıkışı hücrenin ve kalıtsal yapılarının hasarı onarma yeteneği ile ilişkilidir. Bundan, bir mutasyonun ortaya çıkışından önce, hasarın ya tamamen geri döndürülebilir olduğu ya da "özdeş olmayan onarım" olarak anlaşılan bir mutasyon biçiminde gerçekleştirilebildiği bir durumun geldiği sonucu çıkmaktadır. 70'lerin başlarında, bir hücredeki DNA'nın stabilitesinin, DNA moleküllerinin içkin bir özelliği olmadığı, özel bir enzimatik sistem tarafından sağlandığı anlaşıldı.
70'li yılların ortalarından itibaren, DNA kopyalama hatalarından çok daha güçlü olan kalıtsal değişiklikleri tetikleyen "rekombinasyon hatalarının" evrimsel rolü netleşmeye başladı.
Moleküler düzeyde üç tür rekombinasyon ayırt edilir: genel, bölgeye özgü ve replikatif. İlki, genel, düzenli rekombinasyon (crossing over), onarım, DNA zincirindeki kırılmaları, bunların çapraz bağlanmasını ve restorasyonunu içerir. DNA homolojisinin uzun bölgelerini gerektirir. Bölgeye özgü rekombinasyon, örneğin faj l'in DNA'sı ve bir bakterinin kromozomu gibi kısa, çeşitli bazlar ve homoloji bölgeleriyle içeriklidir. Benzer şekilde, mobil elemanların genoma dahil edilmesi ve immünoglobulin genleri arasındaki intogenezde somatik lokal rekombinasyon meydana gelir ve bu da şaşırtıcı çeşitliliklerini yaratır.
Genel rekombinasyondaki hatalar, genlerin doğrusal olarak genişleyen yapısının doğal sonuçları olarak düşünülebilir. Khesin'in yazdığı bir ikilem ortaya çıkıyor: Mitotik rekombinasyonların özel bir mutajenez türü olduğunu veya tam tersine bazı mutasyon türlerinin (kromozomal sapmalar) mitotik rekombinasyonlardaki "hataların" sonucu olduğunu varsayabiliriz.
Transpoze edilebilir elemanların hareketleri veya bölgelerin rekombinasyonu, intogenezde programlanmışsa, bu tür kalıtsal değişiklikleri sınıflandırmak zordur. Mayadaki cinsiyet dönüşümü uzun süredir mutasyonel bir olay olarak kabul ediliyordu, ancak askospor gelişiminin belirli bir aşamasında bunun bölgeye özgü rekombinasyonun bir sonucu olarak yüksek olasılıkla meydana geldiği ortaya çıktı.
Çevresel zorluklara yanıt olarak genom varyasyonları
Evrim teorisinde ve genetikte kalıtsal değişiklikler ile seçilimin yönü arasındaki bağlantı sorunu her zaman tartışılmıştır. Darwinci ve Darwin sonrası fikirlere göre, kalıtsal değişiklikler farklı yönlerde meydana gelir ve ancak o zaman seçilim yoluyla alınır. 50'li yılların başında Lederberg çifti tarafından icat edilen kopyalama yönteminin özellikle görsel ve ikna edici olduğu ortaya çıktı. Kadife malzeme kullanarak, bir Petri kabına deneysel bakteri ekiminin tam kopyalarını (parmak izleri) elde ettiler. Daha sonra plakalardan birinde faja direnç için seçim yapıldı ve dirençli bakterilerin plaka üzerinde fajla ve kontrolde ortaya çıktığı noktaların topografyası karşılaştırıldı. Faj dirençli kolonilerin konumu iki kopya kabında aynıydı. Herhangi bir metabolitte kusurlu olan bakterilerdeki pozitif mutasyonlar analiz edilirken de aynı sonuç elde edildi.
Mobil genetik alanındaki keşifler, bir bütünleyici sistem olarak bir hücrenin, seçim sırasında genomunu uyarlanabilir bir şekilde yeniden düzenleyebileceğini göstermiştir. Çevrenin zorluklarına aktif bir genetik araştırmayla yanıt verebiliyor ve hayatta kalmasını sağlayacak bir mutasyonun rastgele oluşmasını pasif bir şekilde bekleyemiyor. Ve Lederberg eşlerinin deneylerinde hücrelerin başka seçeneği yoktu: ya ölüm ya da adaptif mutasyon.
Seçilim faktörünün öldürücü olmadığı durumlarda, seçilim koşullarıyla doğrudan veya dolaylı olarak ilişkili olarak kademeli genom yeniden düzenlemeleri mümkündür. Bu durum, 70'li yılların sonlarında, hücre bölünmesini bloke eden seçici bir ajana karşı direnç sağlayan genlerin bulunduğu lokusların sayısındaki kademeli artışın keşfiyle netleşti. Hücre bölünmesi inhibitörü olan metotreksatın tıpta kötü huylu hücrelerin büyümesini durdurmak amacıyla yaygın olarak kullanıldığı bilinmektedir. Bu hücre zehiri, çalışması belirli bir gen tarafından kontrol edilen dihidrofolat redüktaz (DHFR) enzimini etkisiz hale getirir.
Leishmania hücrelerinin sitostatik zehire (metotreksat) karşı direnci adım adım arttı ve direnç geniyle güçlendirilmiş segmentlerin oranı orantılı olarak arttı. Yalnızca seçilen gen çoğalmakla kalmadı, aynı zamanda ona bitişik olan ve amplikon adı verilen geniş DNA bölümleri de çoğaldı. Leishmania zehri direnci 1000 kat arttığında, güçlendirilmiş ekstrakromozomal segmentler hücredeki DNA'nın %10'una kadarını oluşturuyordu! Bir zorunlu genden fakültatif elementlerden oluşan bir havuz oluştuğunu söyleyebiliriz. Seçim sırasında genomun uyarlanabilir bir yeniden yapılanması meydana geldi.
Seçilim yeterince uzun süre devam ederse, amplikonlardan bazıları orijinal kromozoma entegre edildi ve seçilim sona erdikten sonra artan direnç ısrarla korundu.
Seçici ajanın ortamdan uzaklaştırılmasıyla birlikte direnç genine sahip amplikonların sayısı birkaç nesil boyunca giderek azaldı ve aynı zamanda direnç de azaldı. Böylece, çevrenin neden olduğu büyük değişikliklerin kalıtsal olduğu, ancak birkaç nesil boyunca yavaş yavaş ortadan kaybolduğu uzun vadeli değişiklikler olgusu modellenmiştir.
Tekrarlanan seçim sırasında, sitoplazmada korunan bazı amplikonlar, hızlı otonom çoğalmalarını sağladı ve direnç, deneylerin başlangıcına göre çok daha hızlı ortaya çıktı. Başka bir deyişle, korunmuş amplikonlar temel alınarak geçmiş seçilimin benzersiz bir hücresel amplikon hafızası oluşturuldu.
Çoğaltma yöntemini ve amplifikasyon durumunda direnç için seçim sürecini karşılaştırırsak, bunun, doğası seçimin yoğunluğu ve yönü ile ilişkili olan genomun dönüşümüne neden olan seçici faktörle temas olduğu ortaya çıkar. .
Uyarlanabilir mutasyonlar hakkında tartışma
1988'de J. Cairns ve ortak yazarların, E. coli bakterisinde seçilime bağlı "yönlendirilmiş mutasyonların" ortaya çıkışı hakkında Nature dergisinde bir makalesi yayınlandı. Laktoz operonunun lacZ geninde mutasyon taşıyan, disakkarit laktozu parçalayamayan bakterileri aldık. Ancak bu mutantlar, glikoz içeren bir ortamda bölünebiliyordu; bir veya iki günlük büyümeden sonra, laktoz içeren seçici bir ortama aktarılıyorlardı. Beklendiği gibi "glikoz" bölünmeleri sırasında ortaya çıkan lac+ terslerinin seçilmesiyle, büyümeyen hücreler karbonhidrat açlığı koşulları altında bırakıldı. İlk başta mutantlar öldü. Ancak bir hafta veya daha uzun bir süre sonra, özellikle lacZ genindeki tersine dönme salgını nedeniyle yeni bir büyüme gözlemlendi. Sanki şiddetli stres koşulları altındaki hücreler bölünmeden(!) genetik bir araştırma yapıyor ve genomlarını adaptif olarak değiştiriyordu.
B. Hall'un sonraki çalışmasında triptofan kullanım geni (trp) için mutant bakteri kullanıldı. Triptofandan yoksun bir ortama yerleştirildiler ve triptofan açlığı sırasında tam olarak artan normale dönüş sıklığı değerlendirildi. Ancak bu olgunun nedeni açlık koşullarının kendisi değildi, çünkü sistein açlığının olduğu ortamda trp+'ya dönüşlerin sıklığı normdan farklı değildi.
Bir sonraki deney serisinde Hall, hem trpA hem de trpB genlerindeki mutasyonları taşıyan çift triptofan eksikliği olan mutantları aldı ve bakterileri tekrar triptofandan yoksun bir ortama yerleştirdi. Yalnızca iki triptofan geninde aynı anda tersine dönüşlerin meydana geldiği bireyler hayatta kalabildi. Bu tür bireylerin ortaya çıkma sıklığı, iki gendeki mutasyonların basit bir olasılıksal tesadüfü nedeniyle beklenenden 100 milyon kat daha yüksekti. Hall bu fenomeni "adaptif mutasyonlar" olarak adlandırmayı tercih etti ve daha sonra bunların mayada da meydana geldiğini gösterdi. ökaryotlarda.
Cairns ve Hall'un yayınları anında hararetli tartışmalara yol açtı. İlk turunun sonucu, mobil genetik alanında önde gelen araştırmacılardan biri olan J. Shapiro'nun sunumuydu. Kısaca iki ana fikri tartıştı. Birincisi, hücre, genomu yeniden inşa etme kapasitesine sahip biyokimyasal kompleksler veya "doğal genetik mühendisliği" sistemleri içerir. Bu komplekslerin aktivitesi, herhangi bir hücresel fonksiyon gibi, hücrenin fizyolojisine bağlı olarak önemli ölçüde değişebilir. İkincisi, kalıtsal değişikliklerin ortaya çıkma sıklığı her zaman bir hücre için değil, hücrelerin birbirleriyle kalıtsal bilgi alışverişinde bulunabildiği bir hücre popülasyonu için değerlendirilir. Ek olarak, stres koşulları altında virüsler tarafından hücreler arası yatay transfer veya DNA bölümlerinin transferi arttırılır. Shapiro'ya göre bu iki mekanizma adaptif mutasyon olgusunu açıklıyor ve onu geleneksel moleküler genetiğin ana akımına döndürüyor. Ona göre tartışmanın sonuçları nelerdir? "Orada, DNA molekülünü yeniden düzenlemek için etkileyici bir dizi karmaşık moleküler alete sahip bir genetik mühendisi bulduk." .
Son onyıllar, hücresel düzeyde, neo-Darwinci modern sentezin yaratımına hakim olan mekanize yaklaşımdan ziyade bilgisayar teknolojisiyle daha uyumlu olan, öngörülemeyen bir karmaşıklık ve koordinasyon alanını ortaya çıkardı. Shapiro'nun ardından hücresel biyolojik süreçlere ilişkin anlayışı değiştiren en az dört grup keşif var.
Genom organizasyonu.Ökaryotlarda genetik lokuslar, tüm genom için ortak olan düzenleyici ve kodlama modüllerinin yapılarını temsil eden modüler bir prensibe göre düzenlenir. Bu, yeni yapıların hızlı bir şekilde birleştirilmesini ve gen topluluklarının düzenlenmesini sağlar. Lokuslar, büyük bir anahtar geninin (cinsiyet düzenlemesi veya göz gelişimi durumunda olduğu gibi) önderlik ettiği hiyerarşik ağlar halinde düzenlenir. Dahası, ikincil genlerin birçoğu farklı ağlara entegre edilmiştir: farklı dönemler birçok fenotipik özelliğin gelişmesini ve etkilenmesini sağlar.Hücre, çevresel zorluklar altında bir bilgisayar gibi bilinçli hareket eder, çalışmaya başladığında ana programların normal çalışması adım adım kontrol edilir, bir arıza durumunda bilgisayarın çalışması durur. Genel olarak, alışılmadık Fransız evrimci zoolog Paul Grasse'nin haklı olduğu hücresel düzeyde zaten aşikar hale geliyor: “Yaşamak, tepki vermek demektir, kurban olmamaktır.”Hücrenin onarım yetenekleri. Hücreler, replikasyon, transkripsiyon ve translasyon düzeyinde bir onarım sistemine sahip olduklarından, rastgele fizikokimyasal etkilerin pasif kurbanları değildir.
Mobil genetik elementler ve doğal genetik mühendisliği. Bağışıklık sisteminin çalışması, doğal biyoteknolojik sistemlerin (enzimler: nükleazlar, ligazlar, ters transkriptazlar, polimerazlar, vb.) etkisine dayalı olarak immünoglobulin moleküllerinin yeni varyantlarının sürekli inşasına dayanmaktadır. Aynı sistemler, yeni devralınabilir yapılar yaratmak için hareketli unsurları kullanır. Aynı zamanda genetik değişiklikler çok büyük ve düzenli olabilir. Genomun yeniden düzenlenmesi temel biyolojik süreçlerden biridir. Doğal genetiği değiştirilmiş sistemler, geri bildirim sistemleri tarafından düzenlenir. Şimdilik pasif durumda kalıyorlar, ancak kilit dönemlerde veya stres sırasında devreye giriyorlar.
Hücresel bilgi işleme. Belki de hücre biyolojisindeki en önemli keşiflerden biri, bir hücrenin büyüme, hareket ve farklılaşma hakkında kararlar almak için sürekli olarak iç durumu ve dış ortamı hakkındaki bilgileri toplayıp analiz etmesidir. Büyüme ve gelişmenin altında yatan hücre bölünmesinin kontrol mekanizmaları özellikle gösterge niteliğindedir. Mitoz süreci yüksek organizmalarda evrenseldir ve birbirini takip eden üç aşamayı içerir: bölünmeye hazırlık, kromozom replikasyonu ve hücre bölünmesinin tamamlanması. Bu aşamaların gen kontrolünün analizi, hücrenin DNA yapısındaki bozuklukların onarımının önceki aşamada meydana gelip gelmediğini kontrol ettiği özel noktaların keşfedilmesine yol açtı. Hatalar düzeltilmediği takdirde bir sonraki aşama başlamayacaktır. Hasar ortadan kaldırılamadığında, genetik olarak programlanmış bir hücre ölümü veya apoptoz sistemi başlatılır.
Çevre-isteğe bağlı elementler-zorunlu elementler sisteminde doğal kalıtsal değişikliklerin oluşma yolları. Mutajenik olmayan çevresel faktörleri ilk algılayanlar fakültatif unsurlardır ve daha sonra ortaya çıkan varyasyonlar mutasyonlara neden olur. İsteğe bağlı elemanların davranışı zorunlu unsurlardan da etkilenir.
Sitostatik seçiminin etkisi altında ortaya çıkan ve gen amplifikasyonuna yol açan kanonik olmayan kalıtsal değişiklikler.
Kazanılan özellikler kalıtsaldır
"Biyoloji tarihi, bir problemin asırlardır süren tartışmasının, kazanılmış özelliklerin kalıtımı veya kalıtımsızlığı tartışmasından daha anlamlı bir örneğini bilmiyor."- bu sözler ünlü sitolog ve biyoloji tarihçisi L.Ya. Tarihte belki de benzer bir durumu kimyasal elementlerin dönüştürülme girişimlerinde hatırlayabiliriz. Simyacılar bu olasılığa inanıyorlardı ama kimyada değişmezlik varsayımı yerleşmişti. kimyasal elementler. Ancak günümüzde nükleer fizik ve kimyada elementlerin dönüşümüne ilişkin araştırmalar ve evrimlerinin analizi olağan hale gelmiştir. Yüzyıllardır süren tartışmada kim haklı çıktı? Kimyasal moleküler etkileşimler düzeyinde elementlerin dönüşümü olmadığını söyleyebiliriz, ancak nükleer düzeyde bu bir kuraldır.
Ontogenez sırasında ortaya çıkan özelliklerin kalıtımı sorunuyla da benzer bir benzetme ortaya çıkıyor. Yeni ortaya çıkan kalıtsal değişiklikler yalnızca genlerin ve kromozomların mutasyonlarına indirgenirse, o zaman sorunun kapalı olduğu düşünülebilir. Ancak dinamik kalıtım [,] fikrini de içeren genelleştirilmiş genom kavramından yola çıkarsak, sorunun revize edilmesi gerekir. Mutasyona ek olarak, DNA metnindeki değişikliklerle değil, genin durumundaki değişikliklerle ilişkili kalıtsal değişkenliğin varyasyonel ve epigenetik biçimleri de vardır. Bu tür etkiler tersine çevrilebilir ve kalıtsaldır.
1991 yılı sonunda yayınlanan Uluslararası Genetik Yıllığı'nın O. Landman'ın "Kazanılmış özelliklerin mirası" başlıklı makalesiyle açılması ilginçtir. Yazar, genetikte uzun zaman önce elde edilen gerçekleri özetleyerek şunu gösteriyor: "Kazanılan özelliklerin kalıtımı, modern moleküler genetik kavramıyla oldukça uyumludur." Landman, kazanılmış özelliklerin kalıtımının kurulduğu on deneysel sistemi ayrıntılı olarak inceliyor. Buna dört farklı mekanizma yol açabilir: T. Sonneborn tarafından siliatlarda incelenen hücre zarı veya korteks yapılarındaki değişiklikler; DNA modifikasyonları, yani lokal DNA metilasyonunun doğasında klonal olarak iletilen değişiklikler (buna damgalama olgusu da dahildir); herhangi bir DNA değişikliği olmaksızın epigenetik değişiklikler; isteğe bağlı öğelerin kaybı veya edinimi nedeniyle meydana gelen kayıplar.
Landman'ın makalesi bizi, genetikte kaya gibi sarsılmaz görünen bir önermenin kritik bir değişim dönemine tanıklık ediyor adeta. Yazar, sakin bir şekilde, heyecan duymadan veya yeni çarpıcı gerçekler olmadan, eski ve yeni verileri bir sistemde birleştirerek onlara net ve modern bir yorum sunuyor. Genel bir prensip formüle edilebilir: Edinilen özelliklerin kalıtımı, belirli bir fenotipik karakterin isteğe bağlı elemanların sayısına veya topografyasına bağlı olduğu durumlarda mümkündür.
Drosophila hakkında iki öğretici örnek vereceğim: birincisi sigma virüsünün davranışıyla, ikincisi ise dişilerin hibrit kısırlığından ve süper değişkenlikten sorumlu hareketli unsurlarla ilişkilidir.
Sigma virüsünün Drosophila genomu ile etkileşiminin incelenmesi 60 yıldan fazla bir süre önce başladı. İlk olarak, 1937'de Fransız genetikçi F. Léritier, sineklerin farklı soylarında, sineklere duyarlılık derecesinde keskin kalıtsal farklılıklar keşfetti. karbondioksit(C02). Bu özellik tuhaf bir şekilde kalıtsal olarak aktarılmıştır: sitoplazma yoluyla, ancak yalnızca anne soyundan değil, bazen de erkeklerden. Hassasiyet, farklı Drosophila türlerine hemolenf enjekte edilerek de aktarılabilir. Bu durumlarda, özellik istikrarlı bir şekilde aktarılmadı ancak seçilimin bir sonucu olarak kalıtım istikrarlı hale geldi.
Drosophila'da fakültatif genomik elementlerden oluşan bir popülasyona bağlı olan bir özelliğin Mendel olmayan kalıtımı. CO2'ye duyarlılık belirtisi sineğin sitoplazmasında rabdovirus sigma'nın bulunmasından kaynaklanır. Drosophila gelişiminin erken safhasında sıcaklık şoku sonucu virüsün çoğalması engellenir ve yetişkin bireyler buna karşı direnç kazanır.CO2'ye duyarlılık, cinsel ve somatik hücreler RNA içeren kurşun şeklindeki rabdovirüs sigma, bazı özellikleri bakımından memelilerdeki kuduz virüsüne benzer. Stabilize bir çizginin dişilerinde oogonia (mayoz ve olgunlaşma sırasında yumurtaların oluştuğu hücreler) genellikle 10-40 viral parçacık içerir ve oositler (olgun yumurtalar) - 1-10 milyon tipik bir fakültatif elementtir. Genomundaki mutasyonlar karmaşık sistem davranışı biçimlerine yol açar. Drosophila'nın CO2'ye dirençli kaldığı ancak aynı zamanda virüsün diğer türlerinin neden olduğu enfeksiyonlara karşı bağışık olduğu virüs taşıyıcılığı vakaları bulunmuştur. Bu durum, F. Jacob ve E. Wolman tarafından hemen fark edilen faj-bakteri sisteminin davranışıyla oldukça karşılaştırılabilir.
Drosophila genomu ile sitoplazmasında üreyen virüs arasındaki ilişki, hücre içi genetik kurallarına uyar. Ontogenez sırasındaki etkiler, parçacıkların sayısında ve hücreler arası topografyasında bir kaymaya neden olabilir ve bunun sonucunda karbondioksite duyarlılık derecesini değiştirebilir. Böylece yüksek sıcaklık viral partiküllerin çoğalmasını engeller. Gametogenez sırasında dişiler ve erkekler birkaç gün boyunca 30°C'lik bir sıcaklıkta tutulursa, bu tür sineklerin yavruları virüsten arınmış ve CO2'ye dirençli olacaktır. Bu, sırasında edinildiği anlamına gelir bireysel gelişimözellik birkaç nesil boyunca miras alınır.
Sigma virüsüyle ilgili durum izole değildir. Fransız genetikçiler, "I" tipi hareketli elemanların davranışıyla ilişkili kadın kısırlığı faktörlerini incelediler. Bu özelliğin kalıtımı karmaşık nükleer sitoplazmik etkileşimler tarafından belirlenir. Aktif I-elementler baba kromozomlarında lokalize edilirse, R-sitoplazmanın arka planına karşı aktive edilmeye başlarlar, çoklu transpozisyonlara uğrarlar ve sonuç olarak hassas sitoplazmaya sahip dişilerin yavrularında ciddi intogenetik bozukluklara neden olurlar. Bu tür dişiler yumurta bırakır, ancak embriyoların bir kısmı bölünmenin erken aşamasında, hatta blastomer oluşumundan önce ölür. Doğal popülasyonlardan izole edilen çizgiler, I faktörlerinin etkisinin gücü ve sitoplazmanın reaktivite derecesi (veya duyarlılığı) bakımından farklılık gösterir. Bu göstergeler dış etkilerle değiştirilebilir. Orijinal ebeveyn dişilerin yaşı ve gelişimin erken döneminde artan sıcaklığa maruz kalma, yalnızca yetişkin dişilerin doğurganlığını değil aynı zamanda yavrularının doğurganlığını da etkiler. Çevresel koşulların neden olduğu sitoplazmik reaktivitedeki değişiklikler birçok hücre nesli boyunca korunur. "En dikkat çekici şey, genetik olmayan faktörlerin etkisi altında sitoplazmanın reaktivitesindeki bu değişikliklerin kalıtsal olmasıdır: "edinilmiş" özelliklerin kalıtımı gözlemlenir."- R.B. Khesin'i kaydetti.
Sitoplazma yoluyla kalıtım: büyükannelerden torunlara
Yirminci yüzyılın gelişim teorisi ve fenogenetiği. Embriyolog P.G. Svetlov'un (1892-1972) derin ve tamamen orijinal araştırmaları önemli bir yer işgal ediyor. Onun tarafından geliştirilen Ontogenezin nicemlenmesi teorisi (gelişimde kritik dönemlerin varlığı, morfogenetik süreçlerin belirlenmesinin meydana geldiği ve aynı zamanda hücrelerin zarar verici maddelere karşı duyarlılığının arttığı) ve geliştirilen fikir üzerinde duralım. bununla bağlantılı olarak, intogenez çalışmasının döllenme anından ve zigot oluşumundan itibaren ve ayrıca önceki neslin dişilerinde oogenez - proembriyonik dönem de dahil olmak üzere gametogenezden itibaren yapılmaması gerekir.
Bu varsayımlara dayanarak Svetlov, 60'lı yıllarda Drosophila ve fareler üzerinde basit ve net deneyler yaptı. Sitoplazmik özelliklerin kalıcı Mendel olmayan kalıtımının mümkün olduğunu ve organizma gelişiminin kritik bir döneminde kısa süreli bir dış etkiden sonra ortaya çıkan mutant özelliklerin ifadesindeki değişikliklerin de birkaç nesile aktarıldığını ikna edici bir şekilde gösterdi.
Bir dizi deneyden birinde, mikroftalminin resesif mutasyonu (doğum anından itibaren retinanın ve gözlerin küçültülmüş boyutu) için heterozigot iki fare soyunun yavrularında mutant özelliğin tezahür derecesini karşılaştırdı: fenotipik olarak normal anneleri mutant olan heterozigotlar ve babaları mutant olanlar. Mutant büyükannenin yavruları, özelliğin daha güçlü bir tezahürüyle ayırt edildi. Svetlov bu tuhaf gerçeği, heterozigot dişilerin dişi gametlerinin hâlâ mutant annelerinin vücudunda olması ve onlardan etkilenmesi ve bunun da torunlarındaki mutasyonların artmasıyla açıkladı.
Esasen Svetlov, daha sonra "genomik damgalama" olarak bilinen bir olguyu ortaya çıkardı: bir genin ifadesindeki farklılık, çocuğa anneden mi yoksa babadan mı geldiğine bağlıydı. Ne yazık ki bu çalışmalar hafife alındı.
Bu fenomenin araştırmacısı K. Sapienza'nın esprili bir şekilde belirttiği gibi, 80'lerin sonlarında damgalamanın olması ilginçtir. "Genellikle yalnızca çok az sayıda özelliği etkileyen genetik bir merak olarak kabul edilir. Bana defalarca neden zamanımı bu kadar önemsiz bir olaya harcadığım soruldu.". Çoğu araştırmacı, Mendel'in ana hükümlerinden birini koşulsuz olarak kabul etti: “mikrop” veya gen, cinsiyete bağlı olarak gücünü değiştiremez; buna yaygın olarak gözlemlenen 3:1 bölünmenin dayandığı nokta da budur. Ancak Sapienza, Mendel ayrımcılığını analiz ederken genellikle yalnızca bir özelliğin varlığını veya yokluğunu dikkate aldıklarını ve eğer bu nicelikselse sınırın dikkate alındığını oldukça haklı bir şekilde belirtti. Evet veya hayır kabul edilen eşiğe göre ayarlanır. Özelliğin ortaya çıkma derecesini belirlersek genomik damgalamanın etkisi ortaya çıkacaktır.
Bu tam olarak Svetlov'un yavrulardaki özelliklerin ifadesinin annenin genotipine bağlı olarak nasıl değiştiğini dikkatle incelerken yaklaşımıydı. Bir embriyolog olarak, belirli bir özelliğin uygulanmasından sorumlu olan aynı morfogenetik aparat etkilenirse, kalıtsal ve kalıtsal olmayan özel değişikliklerin - fenokopilerin (mutasyonların simülasyonu) ortak yanını gördü.
İlk defa farklı türler hayvanlar (drosophila ve fareler) Svetlov, mutant genin tezahürünün değişen doğasının mayoz yoluyla kalıtım olasılığını gösterdi. Khesin'in özetinde bu eserleri harika olarak nitelendirmesi boşuna değil.
Sekiz günlük dişi farenin vücudunun kısa süreli (20 dakika) ısıtılması, oositlerde kalıcı değişikliklere neden oldu ve bu da torunlardaki zararlı mutasyonun etkisini zayıflattı! "Isıtmayla yapılan deneylerde göz gelişiminde gözlemlenen iyileşmenin aktarımı, yalnızca ısıtılan dişilerin oositlerinde kalıtım yoluyla edinilen özelliklerin aktarımıyla açıklanabilir.". Svetlov bu fenomeni hayvanlarda yumurtanın oluşumunun ve yapısının özellikleriyle ilişkilendirdi, çünkü "Oositte, yapım aşamasında olan organizmanın arkitektoniğinin en genel özelliklerini yansıtan bir çerçeve vardır."İnsanlarda gelişimsel bozuklukları önlemek için, hasara duyarlılığın arttığı gametogenezin kritik dönemlerinin incelenmesi gerektiğini doğruladı. Belki de insanlarda gelişimsel anormalliklerin patogenezinde gamet oluşum aşaması embriyogenezden daha önemlidir.
P.G. Svetlov'un birkaç nesil farede mutasyon mikroftalminin bulaşmasını gösteren deney şeması. Sekiz günlük mutant farelerde yüksek sıcaklığa 20 dakikalık tek bir maruz kalma, yavrularında (F1 ve F2) göz gelişiminin iyileşmesine yol açar. Bu özellik yalnızca anne soyundan miras alınır ve oositlerdeki değişikliklerle ilişkilidir.Bugün bu sonuç, son on yılda yapılan moleküler genetik çalışmalarla doğrulanmaktadır. Drosophila, sitoplazmanın eksenel ve kutupsal heterojenliğini ve biyolojik olarak aktif gen ürünlerinin dağılım gradyanlarını oluşturan üç annesel gen sistemine sahiptir. Döllenmenin başlangıcından çok önce, yapısal planın moleküler belirlenmesi (önceden belirlenmesi) ve gelişimin ilk aşamaları meydana gelir. Annenin vücudundaki hücrelerin gen ürünleri, oosit oluşumunda önemli rol oynar. Bazı açılardan bu, bir grup işçi arının kovandaki kraliçeyi beslemesine benzetilebilir.
İnsanlarda, daha sonra yumurta gametlerinin ortaya çıktığı birincil germ hücreleri, iki aylık bir embriyoda ayrılmaya başlar. 2,5 aylıkken mayoz bölünmeye girerler ancak doğumdan hemen sonra bu bölünme engellenir. 14-15 yıl sonra ergenliğin başlamasıyla birlikte ayda bir kez yumurtaların foliküllerden salınmasıyla yeniden başlar. Ancak ikinci bölünmenin sonunda mayoz bölünme tekrar durur ve tıkanıklık ancak spermle karşılaştığında ortadan kalkar. Böylece dişi mayozu 2,5 ayda başlar ve döllenmeden hemen sonra 20-30 veya daha fazla yıl sonra sona erer.
İki ila sekiz hücre aşamasındaki zigot, genomik bağışıklığı zayıflatmıştır. Drosophila'nın doğal popülasyonlarındaki kararsız ekleme mutasyonlarını incelerken, mutasyonel bir geçişin eşlik ettiği, yeri değiştirilebilen bir elementin aktivasyonunun genellikle zigotun ilk bölümlerinde veya ilkel germ hücrelerinin ilk bölümlerinde zaten meydana geldiğini bulduk. Sonuç olarak, bir mutant olayı anında birincil germ hücrelerinin bir klonunu yakalar, gamet havuzu mozaik hale gelir ve yavrularda kalıtsal değişiklikler demetler veya kümeler halinde meydana gelir ve aile kalıtımını simüle eder.
Bu deneyler, belirli bir viral salgının yavruların gen havuzu üzerindeki etkisinin derecesi hakkında soru ortaya çıktığında epidemiyoloji için çok önemlidir. S.M. Gershenzon ve Yu.N. Aleksandrov'un 60'lı yılların başında başlayan öncü araştırması, DNA ve RNA virüslerinin ve bunların nükleik asitlerinin güçlü mutajenik ajanlar olduğu sonucuna varmıştır. Bir hücreye girdiklerinde genomik stresi tetiklerler, konağın mobil element sistemini aktive ederler ve her bir ajana özgü seçilmiş lokuslardan oluşan bir grupta kararsız ekleme mutasyonlarına neden olurlar.
Şimdi viral bir salgının (örneğin grip) insandaki kalıtsal değişkenlik üzerindeki etkisini değerlendirmek istediğimizi hayal edin. Bu durumda frekansın artması beklenebilir. çeşitli türler Salgından bir yıl veya bir yıl sonra doğan ilk nesil yavrularda gelişimsel anomaliler artacaktır. Torun neslinde germ hücrelerindeki (gametler) mutasyon ve varyasyon değişikliklerinin sıklığının değerlendirilmesi yapılmalıdır.
Ardışık üç kadın neslinde oogenez şeması. P - büyükanne, F1 - anne, F2 - kız.
Genel sonuç, torunlardaki genetik çeşitliliğin büyük ölçüde büyükannelerinde oogenezin meydana geldiği koşullara bağlı olabileceğidir! 2000 yılında 25 yaşlarında olan ve 3. binyılda anne olacak bir kadın düşünelim. Kendisinin doğduğu döllenmiş yumurta, annesi henüz iki aylık bir embriyo iken oluşmaya başladı; yirminci yüzyılın 50'li yıllarının ortalarında bir yerde. Ve eğer grip bu yıllarda çok yaygınsa sonuçları bir nesil içinde hissedilmeli. Küresel bir salgının insanlığın gen havuzu üzerindeki sonuçlarını değerlendirmek için, üç grubun veya kohortun torunlarını (salgının patlak verdiği yılda büyükanneleri hamile olanlarla, büyükanneleri daha önce hamile kalanlarla) karşılaştırmak gerekir. ve pandemiden sonra (bunlar iki kontrol grubudur). Ne yazık ki sağlığın korunması açısından önemli olan bu tür epidemiyolojik ve genetik bilgiler henüz mevcut değildir.
Hayaletler ve canavarlarla savaşmak hakkında
Svetlov'un teknik açıdan basit ama kavram açısından orijinal ve sonuçları derin olan deneylerinin üzerinden 30 yıl geçti. 90'lı yılların ortalarında psikolojik bir dönüm noktası meydana geldi: Kalıtsal değişkenlik alanında başlığı "epigenetik" kelimesini içeren çalışmaların sayısı keskin bir şekilde arttı.
Çeşitli epimutasyon türleri (DNA metnindeki değişikliklerle ilişkili olmayan ve büyük, yönlendirilmiş ve geri dönüşümlü olan gen aktivitesinin doğasındaki kalıtsal varyasyonlar), marjinal kategorisinden aktif olarak incelenen bir fenomene geçmiştir. Canlı sistemlerin, çevreyle sürekli temas halinde olan ve bir işleyiş tarzından diğerine hızlı bir kalıtsal geçiş için doğal embriyogenetik mühendislik araçlarını kullanan işlevsel bir "belleğe" sahip olduğu açık hale geldi. Yaşayan sistemler doğal seçilimin pasif kurbanları değildir ve yaşamın tüm evrimsel biçimleri de doğal seçilimin pasif kurbanları değildir. “Kısa bir kaybolma gününe leke” Mandelstam'ın ünlü başyapıtı "Lamarck"ta yazdığı gibi.
Epimutasyonların sıklıkla sıradan "klasik genlerde" bulunabileceği ortaya çıktı; sadece uygun bir deneysel sistem seçmeniz gerekiyor. 1906'da, yani Morgan'ın Drosophila ile çalışmaya başlamasından beş yıl önce, Fransız evrim biyoloğu L. Cano, farelerde Mendel mutasyonu "korpus luteum"u keşfetti. Şaşırtıcı bir özelliği vardı - normal renk (gri-kahverengi) üzerinde baskınlık ve homozigotta öldürücülük. Heterozigot sarı fareler birbirleriyle çaprazlandığında, homozigotların ölümü nedeniyle yavrularda 3:1 değil 2:1 oranında normal fareler ortaya çıktı. Daha sonra birçok baskın mutasyonun farklı organizmalarda bu şekilde davrandığı ortaya çıktı.
"Corpus luteum" geninin alellerinden birinin transkripsiyon bölgesine, yapı ve özellikler açısından bir retrovirüse benzeyen mobil bir elementin eklendiği ortaya çıktı. Bu eklemenin sonucunda gen, davetsiz misafirin noktalama işaretlerine uymaya ve tahmin edilemeyecek şekilde etkinleşmeye başladı. "Yanlış zamanda ve yanlış yerde." Eklenen mutantlar birden fazla kusur geliştirir (sarı kürk rengi, obezite, diyabet vb.) ve davranışlar dengesiz hale gelir. Gereksiz ekleme aktivitesi, DNA bazlarının tersine çevrilebilir modifikasyonu veya metilasyonu ile farklı dokularda değişen derecelerde sönümlenir. Fenotipik düzeyde, baskın alelin tezahürü büyük ölçüde değişir ve doğası gereği mozaiktir. Avustralyalı genetikçiler, homojen bir soydan seçilen sarı dişilerin yavrularında daha fazla sarı fare bulunduğunu, mutasyonun taşıyıcısı olan babanın fenotipinin yavrudaki renk değişimini etkilemediğini keşfetti. Dişilerin daha hareketsiz olduğu ve DNA modifikasyon fenotipi veya izleri için seçilenlerin oogenezde daha iyi korunduğu ortaya çıktı. Diğer genetikçiler de Svetlov'un deneylerinde bulunana benzer, tamamen annelik etkisi buldular. Gebe kadınların diyetine bağlı olarak, heterozigotların genotipinde “korpus luteum” mutasyonunun şiddeti belirli bir şekilde değişti. Bu değiştirilmiş durum kararsızdır ancak yavrulara miras alınır. Özelliğin ortaya çıkma derecesi, eklentideki DNA bazlarının metilasyon derecesi ile ilişkilidir.
Science dergisinin bilimsel köşe yazarlarından biri, bu ve benzeri deneylere atıfta bulunarak makalesine "Lamarck Hala Biraz Haklı mıydı?" Böyle bir incelik anlaşılabilir. Birincisi, onlarca yıldır sağlam bir şekilde yerleşmiş olduğu düşünülen bir şeyin revize edilmesi söz konusu olduğunda dikkatli olunması gerekir. İkincisi, edinilen özelliklerin mirası yalnızca Lamarck'ın adıyla değil, aynı zamanda Lysenko'nun hayaletiyle de ilişkilidir (ikincisi notun yazarı tarafından belirtilmiştir). Nitekim kazanılmış özelliklerin kalıtım sorunu tartışıldığında isteyerek ya da istemeyerek “Michurin biyolojisi”nin gölgesi ortaya çıkıyor. Ve sadece Lysenko'nun egemenliğiyle bağlantılı biyolojideki trajedinin anısının hala çok canlı olduğu Rusya'da değil.
Bugün, Lysenko'nun reddettiği, klasik genetiğin genel kabul görmüş birçok hükmü, istemsizce, ona meydan okuyarak, neredeyse mutlak gerçek olarak kabul edildi. Ancak yine de, şu ya da bu ciddi araştırmacı Lysenko'nun görüşlerine dıştan uygun bir şey keşfettiyse, bilim camiasının dışlanmasından korktuğu için bunu kamuoyuna açıklamaktan korkuyordu. Ve çalışma yayınlanmış olsa bile birçok çekinceyi beraberinde getirdi ve bilimin dışında kaldı.
60'lı yıllarda A.A. Lyubishchev'in (Svetlov'un en yakın arkadaşı) makaleleriyle tanışarak, 1953'ten 1965'e kadar Lysenkoizmin en aktif samizdat eleştirmenlerinden biri olarak makalelerinin ve mektuplarının neden "İn" adlı bir kitapta toplandığını anlamaya çalıştım. Bilimin Savunması” (L., 1990) - yine de edinilen özelliklerin kalıtım meselesinin nihai olarak çözüleceğini düşünmedi. Evrimsel biyoloji alanında evrensel olarak tanınan bu uzman, kalıtım teorisinin eksikliğine ve kalıtsal ve modifikasyonel değişkenliğin benzerliğine dikkat çekti. Artık çoğu durumda bunların arasına bir çizgi çekmenin ne kadar zor olduğunu biliyoruz. Lyubishchev, evrimdeki fenotipin devasa, hızlı ve düzenli dönüşümlerine ilişkin gerçekleri aktardı; bunlar, Morgan'ın mutasyonları ve Darwinci seçilim açısından açıkça açıklanamaz. Lysenko'nun tekeline karşı sesini yükselten Lyubishchev, bilimin içinde yerleşmiş olan Arakcheev rejimine karşı bilimi savunmak için konuştu. Bilim alanında da eski prensibi takip etti: "Platon benim dostumdur ama gerçek daha değerlidir."
9. McClintock B.// Bilim. 1984.V.226. S.792-801.
10. Cairns J.//Doğa. 1988. V.27. S.1-6.
11. Salon D.// Genetik. 1990.V.126. S.5-16
12. Shapiro J.// Bilim. 1995.V.268. S.373-374.
12. Blyakher L. Ya. Kazanılmış özelliklerin kalıtım sorunu. M., 1971.
13. Landmann O.//Ann. Rahip Genet. 1991.V.25. S.1-20.
14. Sokolova K.B. Yirminci yüzyılın ilk yarısında fenogenetiğin gelişimi. M., 1998.
15. Sapienza K.// Bilim dünyasında. 1990. ?12. S.14-20.
16. Svetlov P.G.// Genetik. 1966. ?5. S.66-82.
17. Korochkin L.I. Gelişim genetiğine giriş. M., 1999.
) 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 (ilişkisiz 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?
Yayınevi "BİNOM. Knowledge Laboratory, genetikçi Craig Venter'ın anılarından oluşan Life Deciphered adlı kitabını yayınlıyor. Craig Venter, insan genomunu okuma ve deşifre etme konusundaki çalışmalarıyla tanınıyor. 1992 yılında Genom Araştırma Enstitüsü'nü (TIGR) kurdu. 2010 yılında Venter dünyanın ilk yapay organizmasını, sentetik bakteri Mycoplasma laboratuvarını yarattı. Sizi kitabın Craig Venter'ın Drosophila sineğinin genomunu sıralamak için 1999-2000 yıllarındaki çalışmalardan bahsettiği bölümlerinden birini okumaya davet ediyoruz.
İleri ve yalnızca ileri
Kalıtımın temel yönlerinin, bizi şaşırtacak şekilde, oldukça basit olduğu ortaya çıktı ve bu nedenle doğanın belki de o kadar da bilinemez olmadığına ve çoğu insan tarafından birden fazla kez ilan edildiğine dair umut vardı. farklı insanlar anlaşılmazlık sadece başka bir yanılsamadır, cehaletimizin meyvesidir. Bu bizi iyimser kılıyor, çünkü dünya bazı arkadaşlarımızın iddia ettiği kadar karmaşık olsaydı biyolojinin kesin bir bilim olma şansı olmazdı.
Thomas Hunt Morgan. Fiziksel Temeller kalıtım
Birçok kişi bana neden gezegenimizdeki tüm canlılar arasında meyve sineğini seçtiğimi sordu; diğerleri neden insan genomunun şifresini çözmeye hemen geçmediğimi merak etti. Mesele şu ki, gelecekteki deneyler için bir temele ihtiyacımız vardı; insan genomunu dizilemek için neredeyse 100 milyon dolar harcamadan önce yöntemimizin doğruluğundan emin olmak istedik.
Küçük meyve sineği biyolojinin, özellikle de genetiğin gelişmesinde büyük rol oynadı. Drosophila cinsi, toplamda yaklaşık 26 yüz tür olan çeşitli sinekleri (sirke, şarap, elma, üzüm ve meyve) içerir. Ancak "drosophila" kelimesini söylediğinizde herhangi bir bilim adamının aklına hemen belirli bir tür gelecektir: Drosophilamelanogaster. Bu minik sinek, hızlı ve kolay bir şekilde çoğaldığı için evrimci biyologlara model organizma görevi görüyor. Döllenme anından yetişkin bir organizmanın ortaya çıkışına kadar olan yaratılış mucizesine ışık tutmak için kullanıyorlar. Drosophila sayesinde tüm canlı organizmaların genel yapısını düzenleyen homeobox içeren genlerin keşfi de dahil olmak üzere birçok keşif yapıldı.
Her genetik öğrencisi, Amerikan genetiğinin babası Thomas Hunt Morgan'ın Drosophila üzerinde yaptığı deneylere aşinadır. 1910'da her zamanki kırmızı gözlü sinekler arasında beyaz gözlü erkek mutantları fark etti. Beyaz gözlü bir erkeği kırmızı gözlü bir dişiyle çaprazladı ve yavrularının kırmızı gözlü olduğunu buldu: Beyaz gözlülüğün resesif bir özellik olduğu ortaya çıktı ve artık sineklerin beyaz gözlü olması için iki kopyaya ihtiyaç duyduğunu biliyoruz. beyaz gözlü genin her ebeveynden bir tane. Mutantları çaprazlamaya devam eden Morgan, yalnızca erkeklerin beyaz göz özelliğini sergilediğini keşfetti ve bu özelliğin cinsiyet kromozomuyla (Y kromozomu) ilişkili olduğu sonucuna vardı. Morgan ve öğrencileri binlerce meyve sineğindeki kalıtsal özellikleri inceledi. Bugün, dünya çapındaki moleküler biyoloji laboratuvarlarında Drosophila ile deneyler yapılıyor ve burada beş binden fazla kişi bu küçük böceği inceliyor.
Drosophila'nın önemini, adrenalin reseptörlerini incelemek için cDNA genlerinin kütüphanelerini kullandığımda ve bunların sineklerdeki eşdeğerlerini - ahtopamin reseptörlerini keşfettiğimde - ilk elden öğrendim. Bu keşif, sinek ve insanın sinir sisteminin evrimsel kalıtımının ortaklığını ortaya koydu. İnsan beyninin cDNA kütüphanelerini anlamlandırmaya çalışırken, insan genlerini Drosophila genleriyle bilgisayar üzerinden karşılaştırarak benzer işlevlere sahip genler buldum.
Drosophila gen dizileme projesi 1991 yılında Berkeley'deki Kaliforniya Üniversitesi'nden Jerry Rubin ve Carnegie Enstitüsü'nden Allen Spradling'in bu görevi üstlenme zamanının geldiğine karar vermesiyle başladı. Mayıs 1998'e gelindiğinde sıralamanın %25'i zaten tamamlanmıştı ve Rubin'in "vaz geçilemeyecek kadar iyi" dediği bir teklifte bulundum. Benim fikrim oldukça riskliydi: binlerce meyve sineği araştırmacısı farklı ülkelerÜrettiğimiz kodun her harfini Jerry'nin kendi yüksek kaliteli referans verileriyle karşılaştırarak dikkatle incelememiz ve ardından yöntemimin uygunluğu hakkında bir yargıya varmamız gerekiyordu.
Orijinal plan, sinek genomunun dizilimini Nisan 1999'a kadar altı ay içinde tamamlamak ve ardından insan genomuna yönelik saldırıya başlamaktı. Bana öyle geldi ki, bu bizim kanıtlamamızın en etkili ve anlaşılır yoluydu. yeni yöntemçalışıyor. Ve eğer başarılı olamazsak, o zaman bunu insan genomu üzerinde çalışmaktan ziyade Drosophila örneğini kullanarak hızlı bir şekilde doğrulamanın daha iyi olacağını düşündüm. Ancak gerçekte tam bir başarısızlık, biyoloji tarihindeki en muhteşem başarısızlık olacaktır. Jerry aynı zamanda itibarını tehlikeye atıyordu, bu yüzden Celera'daki herkes onu desteklemeye kararlıydı. Mark Adams'tan projenin bize düşen kısmını yönetmesini istedim ve Jerry'nin de Berkeley'de birinci sınıf bir ekibi olduğundan işbirliğimiz sorunsuz ilerledi.
Öncelikle dizilememiz gereken DNA'nın saflığıyla ilgili soru ortaya çıktı. İnsanlar gibi sinekler de genetik düzeyde farklılık gösterir. Bir popülasyonda %2'den fazla genetik çeşitlilik varsa ve seçilen grupta 50 farklı birey varsa, o zaman kod çözmenin çok zor olduğu ortaya çıkıyor. Jerry'nin ilk adımı, bize tek tip bir DNA varyantı vermek için sinekleri mümkün olduğu kadar akraba çiftleştirmekti. Ancak akraba evliliği genetik saflığı sağlamak için yeterli değildi: Sinek DNA'sı çıkarılırken, sineğin yiyeceğindeki veya bağırsaklarındaki bakteri hücrelerinden gelen genetik materyalle kontaminasyon riski vardı. Bu sorunlardan kaçınmak için Jerry, sinek embriyolarından DNA çıkarmayı tercih etti. Ancak embriyonik hücrelerden bile, hücrenin "güç santralleri" olan mitokondrinin nükleer dışı DNA'sıyla kirlenmemesi için önce çekirdekleri ihtiyacımız olan DNA ile izole etmemiz gerekiyordu. Sonuç olarak, saf Drosophila DNA'sının bulanık bir çözeltisini içeren bir test tüpü aldık.
1998 yazında, böylesine saf bir sinek DNA'sına sahip olan Ham'ın ekibi, onun parçalarından kütüphaneler oluşturmaya başladı. Ham'in kendisi en çok DNA'yı kesmeyi ve ortaya çıkan parçaları üst üste bindirmeyi, böylece yabancı seslerin dikkatini işinden ayırmamasını sağlamak için işitme cihazının hassasiyetini düşürmeyi severdi. Kütüphanelerin oluşturulmasının büyük ölçekli sıralamanın başlangıcı olması gerekiyordu, ancak şu ana kadar her yerde yalnızca matkap, çekiç ve testere sesleri duyuluyordu. Yakınlarda bütün bir inşaatçı ordusu sürekli göze batan bir şeydi ve biz en önemli sorunları çözmeye devam ettik - sıralayıcıların, robotların ve diğer ekipmanların işleyişindeki sorunları gidererek, yıllar içinde değil, birkaç ay içinde gerçek bir sıralama "fabrikası" yaratmaya çalıştık. ” sıfırdan.
İlk Model 3700 DNA sıralayıcı, 8 Aralık 1998'de Celera'ya teslim edildi ve büyük bir heyecan ve toplu bir rahatlama sağlandı. Cihaz ahşap bir kutudan çıkarıldı, bodrumdaki penceresiz bir odaya (geçici evi) yerleştirildi ve hemen test edilmeye başlandı. Çalışmaya başladığımızda çok kaliteli sonuçlar aldık. Ancak bu ilk sıralayıcılar oldukça kararsızdı ve bazıları başlangıçtan itibaren hatalıydı. Ayrıca çalışanlarla bazen neredeyse her gün sürekli sorunlar yaşanıyordu. Örneğin, robotik manipülatörün kontrol programında ciddi bir hata ortaya çıktı - bazen robotun mekanik kolu yüksek hızda cihazın üzerinden uzanıp duvara çarptı. Sonuç olarak sıralayıcı durdu ve tamir etmesi için bir tamir ekibinin çağrılması gerekti. Bazı sıralayıcılar başıboş lazer ışınları nedeniyle başarısız oldu. Aşırı ısınmaya karşı koruma sağlamak için o zamandan beri folyo ve bant bantlar kullanıldı. yüksek sıcaklık buharlaşan dizilerde renkli sarı Gs'nin parçaları.
Cihazların tedariği artık düzenli olarak yapılıyor olsa da, bunların yaklaşık %90'ı başlangıçtan itibaren hatalıydı. Bazı günler sıralayıcılar hiç çalışmıyordu. Mike Hunkapiller'e sıkı sıkıya inanıyordum ama başarısızlıklarımızın sorumluluğunu çalışanlarımıza, inşaat tozuna, en ufak sıcaklık dalgalanmalarına, ayın evrelerine vb. atmaya başladığında inancım büyük ölçüde sarsıldı. Hatta bazılarımızın stresten dolayı saçları ağardı.
Ölü 3700'ler kafeteryada ABI'ye geri gönderilmeyi bekliyordu ve sonunda iş öyle bir noktaya geldi ki öğle yemeğini neredeyse sıralayıcıların morgunda yemek zorunda kaldık. Çaresizlik içindeydim - sonuçta her gün belirli sayıda çalışma cihazına ihtiyacım vardı, yani 230! Yaklaşık 70 milyon dolar karşılığında ABI bize ya tüm gün kesintisiz çalışacak 230 mükemmel işlevsel cihaz ya da en az yarım gün çalışacak 460 cihaz sağlama sözü verdi. Ayrıca Mike'ın, sıralayıcılar bozulduktan hemen sonra onarılması için kalifiye teknisyenlerin sayısını iki katına çıkarması gerekirdi.
Ancak tüm bunları aynı parayla yapmanın ne faydası var! Buna ek olarak, Mike'ın artık başka bir müşterisi daha var: liderleri halihazırda herhangi bir test yapmadan yüzlerce cihazı satın almaya başlayan bir hükümet genom projesi. Celera'nın geleceği bu sıralayıcılara bağlıydı ama görünüşe göre Mike, ABI'nin geleceğinin de onlara bağlı olduğunun farkında değildi. ABI mühendisleri ve ekibim arasında Celera'da yapılan önemli toplantıda da görüldüğü gibi, çatışma kaçınılmazdı.
Çok sayıda arızalı cihazı ve sıralayıcı arızalarını düzeltmenin ne kadar sürdüğünü bildirdikten sonra Mike, tüm suçu bir kez daha çalışanlarıma yüklemeye çalıştı, ancak kendi mühendisleri bile onunla aynı fikirde değildi. Tony White sonunda müdahale etti. "Ne kadara mal olduğu ya da bunun için kimin öldürülmesi gerektiği umurumda değil" dedi. O zaman o ilk ve son kez gerçekten benim tarafımı tuttu. Mike'a, masrafları diğer müşterilerin pahasına olsa ve ne kadara mal olacağı henüz bilinmese bile, yeni sıralayıcıların mümkün olduğu kadar çabuk teslim edilmesini sağlamasını emretti.
Tony ayrıca Mike'a tüm sorunların nedenini hızlı bir şekilde onarmak ve belirlemek için yirmi teknisyen daha tutmasını emretti. Gerçekte bunu söylemek yapmaktan daha kolaydı çünkü deneyimli işçiler yetersizdi. Başlangıç olarak, Eric Lander en kalifiye mühendislerden ikisini kaçırdı ve Mike'a göre suçlu da bizdik. Mark Adams'a dönen Mike, "Onları başkası işe almadan önce sen işe almalıydın" dedi. Böyle bir açıklamanın ardından ona olan tüm saygımı tamamen kaybettim. Sonuçta, anlaşmamıza göre ABI çalışanlarını işe alamazdım, oysa Lander ve hükümetin genom projesinin diğer liderleri bunu yapma hakkına sahipti, bu yüzden çok geçmeden en iyi ABI mühendisleri rakiplerimiz için çalışmaya başladı. Toplantının sonunda sorunların devam ettiğini ancak iyileşme için bir umut ışığının doğduğunu fark ettim.
Ve böylece hemen olmasa da oldu. Sıralayıcı cephaneliğimiz 230'dan 300 cihaza çıktı ve bunların %20-25'i arızalansa bile hâlâ yaklaşık 200 çalışan sıralayıcımız vardı ve bir şekilde görevlerin üstesinden geliyorduk. Teknik personel kahramanca çalıştı ve onarım çalışmalarının hızını istikrarlı bir şekilde artırarak arıza süresini azalttı. Bunca zaman tek bir şey düşündüm: Yaptığımız şey yapılabilir. Başarısızlıklar binlerce nedenden dolayı meydana geldi ama başarısızlık planlarımın bir parçası değildi.
Drosophila genomunu ciddi anlamda dizilemeye 8 Nisan'da, yani bu çalışmayı tamamlamamız gereken dönemde başladık. Elbette White'ın benden kurtulmak istediğini anladım ama bunu gerçekleştirmek için elimden gelen her şeyi yaptım. ana görev. Evde gerilim ve kaygı beni rahatsız ediyordu ama en çok da “ sırdaş“Bu sorunları tartışamazdım. Claire, Celera'nın işleriyle ne kadar meşgul olduğumu görünce küçümsediğini gösterdi. TIGR/HGS'de çalışırken yaptığım hataları tekrarladığımı hissetti. 1 Temmuz'da tıpkı Vietnam'da olduğu gibi kendimi derin bir depresyonda hissediyordum.
Taşıma yöntemi henüz bizim için işe yaramadığı için, genom parçalarını tekrar bir araya "yapıştırmak" için zorlu ve meşakkatli bir iş yapmak zorunda kaldık. Gene Myers, tekrarlardan dikkati dağılmadan eşleşmeleri tespit etmek için benim av tüfeği yöntemi versiyonumun temel ilkesine dayanan bir algoritma önerdi: sonuçta ortaya çıkan tüm klonların her iki ucunu da sıralayın. Ham kesin olarak bilinen üç boyutta klon aldığından, iki terminal dizisinin birbirinden kesin olarak tanımlanmış bir mesafede olduğunu biliyorduk. Daha önce olduğu gibi, bu "eşleştirme" yöntemi bize genomu yeniden bir araya getirmek için mükemmel bir fırsat verecek.
Ancak dizinin her bir ucu ayrı ayrı sıralandığından, bu montaj yönteminin doğru çalışması için dikkatli kayıtların tutulması gerekiyordu; tüm uç dizi çiftlerini doğru şekilde bağlayabildiğimizden kesinlikle emin olmak için: sonuçta, en azından, eğer Yüz denemeden biri hatayla sonuçlanır ve eşleşen bir tane bulunamazsa tutarlılık adına her şey boşa gider ve yöntem işe yaramaz. Bunu önlemenin bir yolu, sürecin her adımını takip etmek için barkodlar ve sensörler kullanmaktır. Ancak işin başlangıcında laboratuvar teknisyenleri sıralama için gerekli yazılım ve donanıma sahip değildi, bu nedenle her şeyi manuel olarak yapmak zorunda kaldılar. Celera'da yirmiden az kişiden oluşan küçük bir ekip, her gün rekor düzeyde 200.000 klon işledi. 384 kuyudan gelen verilerin yanlış okunması gibi bazı hataları önceden tahmin edebilir ve ardından bilgisayarı kullanarak açıkça hatalı olan işlemi bulabilir ve durumu düzeltebiliriz. Elbette hala bazı eksiklikler vardı ama bu sadece takımın becerisini ve hataları ortadan kaldırabileceğimize olan güvenini doğruladı.
Tüm zorluklara rağmen dört ayda 3156 milyon diziyi, yani 1,51 milyon DNA klonunun uçları arasında yer alan yaklaşık 1,76 milyar nükleotid çiftini okumayı başardık. Şimdi sıra Gene Myers'a, ekibine ve bilgisayarımıza gelmişti; tüm bölümleri Drosophila kromozomlarında bir araya getirmek gerekiyordu. Bölümler ne kadar uzun olursa sıralamanın doğruluğu da o kadar azaldı. Drosophila örneğinde dizilerin ortalaması 551 baz çiftiydi ve ortalama doğruluk %99,5'ti. 500 harflik diziler göz önüne alındığında, neredeyse herkes bir eşleşme bulunana kadar bir diziyi diğerine doğru hareket ettirerek eşleşmelerin yerini bulabilir.
Haemophilus influenzae'yı dizilemek için elimizde 26 bin dizi vardı. Her birini diğerleriyle karşılaştırmak için 26 bin karşılaştırmanın karesi, yani 676 milyon gerekir. 3,156 milyon okumayla Drosophila genomu yaklaşık 9,9 trilyon karşılaştırma gerektirecektir. 26 milyon dizi okuması gerçekleştirdiğimiz insan ve fare örneğinde yaklaşık 680 trilyon karşılaştırma yapılması gerekiyordu. Bu nedenle çoğu bilim insanının bu yöntemin olası başarısı konusunda oldukça şüpheci olması şaşırtıcı değil.
Myers her şeyi düzelteceğine söz vermesine rağmen sürekli şüpheleri vardı. Artık günlerce ve gecelerce çalışıyordu, bitkin ve bir şekilde gri görünüyordu. Ayrıca ailesinde sorunlar vardı ve çoğu Boş zamanımızı projemiz hakkında yazan ve araştırmanın ilerleyişini gölge gibi takip eden gazeteci James Shreve ile geçireceğiz. Bir şekilde Gene'in dikkatini dağıtmaya çalışarak, onu dinlenmek ve yatımda yelken açmak için Karayipler'e götürdüm. Ama orada bile saatlerce dizüstü bilgisayarının üzerine eğilerek oturdu, siyah kaşlarını çattı ve siyah gözlerini parlak güneşten kıstı. Ve inanılmaz zorluklara rağmen Gene ve ekibi, yeni montajcı için altı ay içinde yarım milyon satırdan fazla bilgisayar kodu üretmeyi başardılar.
Eğer sıralama sonuçları %100 doğru olsaydı ve kopya DNA olmasaydı, genom birleştirme nispeten basit bir iş olurdu. Ancak gerçekte genomlar farklı tip, uzunluk ve frekansta çok sayıda tekrarlanan DNA içerir. Beş yüz baz çiftinden daha az olan kısa tekrarlarla baş etmek nispeten kolaydır; daha uzun tekrarlarla ise daha zordur. Bu sorunu çözmek için "çift bulma" yöntemini kullandık, yani her klonun her iki ucunu sıraladık ve farklı uzunluklarda klonlar elde ettik. maksimum miktar tesadüfler.
Jin'in ekibinin yarım milyon satırlık bilgisayar koduyla kodlanan algoritmalar, iki diziyi basitçe örtüştürmek gibi en "zararsız" eylemlerden, algılanan çiftleri kullanmak gibi daha karmaşık eylemlere kadar adım adım bir senaryo önerdi. örtüşen dizilerin adalarını birleştirin. Bu, bir araya getirilmiş bölümlerden oluşan küçük adacıkların daha büyük adalar oluşturacak şekilde bir araya getirildiği ve ardından tüm sürecin yeniden tekrarlandığı bir yapbozun bir araya getirilmesine benziyordu. Sadece yapbozumuz 27 milyon parçadan oluşuyordu. Ve bölümlerin diziden alınmış olması çok önemliydi yüksek kalite montajlar: Bir yapbozun parçalarını birleştirirken, öğelerinin renkleri veya görüntüleri bulanık ve bulanıksa ne olacağını hayal edin. Genom dizisinin uzun menzilli düzeni için okumaların önemli bir kısmının eşleşen çiftler biçiminde olması gerekir. Sonuçların hala manuel olarak takip edildiği göz önüne alındığında, elimizdeki sekansların %70'inin tam olarak bu şekilde olduğunu görünce rahatladık. Uzmanlar bilgisayar modelleme Daha düşük bir yüzdeyle "Humpty Dumpty"yi toplamanın imkansız olacağını açıkladılar.
Artık Celera birleştiriciyi diziyi sıralamak için kullanabildik: ilk aşamada sonuçlar en yüksek doğruluğu elde edecek şekilde ayarlandı; ikinci adımda Screener, plazmid veya E. coli DNA'sından kirletici dizileri çıkardı. Birleşme süreci, "yabancı" dizinin 10 kadar az baz çifti tarafından bile bozulabilir. Üçüncü adımda, Screener programı her bir parçanın meyve sineği genomundaki bilinen tekrar eden dizilere uygunluğunu kontrol etti; bu veriler, bunları bize "nazikçe" sağlayan Jerry Rubin'den alınmıştır. Kısmen örtüşen bölgelere sahip tekrarların yerleri kaydedildi. Dördüncü adımda, başka bir program (Overlapper), her bir parçayı diğerleriyle karşılaştırarak örtüşen alanları keşfetti; bu, çok büyük miktarda sayısal verinin işlenmesinde devasa bir deneydi. %6'dan az farka sahip en az 40 örtüşen baz çifti bulmayı hedefleyerek her saniye 32 milyon parçayı karşılaştırdık. Üst üste binen iki bölge keşfettiğimizde, bunları daha büyük bir parça halinde birleştirdik; bu parçaya "contig" adı verildi; üst üste binen parçalardan oluşan bir set.
İdeal durumda bu, genomu birleştirmek için yeterli olacaktır. Ancak DNA kodundaki takılmalar ve tekrarlarla uğraşmak zorundaydık; bu da, bir DNA parçasının birkaç farklı bölgeyle örtüşerek sahte bağlantılar yaratabileceği anlamına geliyordu. Görevi basitleştirmek için yalnızca "birimler" adı verilen benzersiz şekilde birbirine bağlı parçalar bıraktık. Bu işlemi gerçekleştirmek için kullandığımız program (Unitigger), kesin olarak tanımlayamadığımız tüm DNA dizilerini esasen ortadan kaldırıyor, geriye sadece bu birimler kalıyor. Bu adım bize yalnızca parçaları birleştirmek için diğer seçenekleri değerlendirme fırsatı vermekle kalmadı, aynı zamanda görevi önemli ölçüde basitleştirdi. Azaltma sonrasında üst üste binen parçaların sayısı 212 milyondan 3,1 milyona düştü ve sorun 68 kat basitleşti. Yapbozun parçaları yavaş yavaş ama istikrarlı bir şekilde yerine oturdu.
Daha sonra aynı klonun dizilerinin bir "iskelet" algoritması kullanılarak nasıl eşleştirildiği hakkındaki bilgileri kullanabiliriz. Karşılıklı olarak örtüşen baz çiftlerine sahip tüm olası birimler, özel çerçeveler halinde birleştirildi. Derslerimde bu aşamayı anlatmak için çocukların oyuncak yapım seti Tinkertoys ile bir benzetme yapıyorum. Ahşap anahtar parçalarının (toplar ve diskler) üzerindeki deliklere yerleştirilebilen ve bu sayede üç boyutlu bir yapı oluşturabilen farklı uzunluklardaki çubuklardan oluşur. Bizim durumumuzda anahtar parçalar birimlerdir. Eşli dizilerin 2 bin, 10 bin veya 50 bin baz çifti uzunluğundaki klonların uçlarında yer aldığı, yani birbirlerinden belirli sayıda delik uzaklıkta göründükleri bilinerek sıralanabilirler.
Bu tekniğin meyve sineği genomunun yaklaşık beşte biri olan Jerry Rubin dizisinde test edilmesi yalnızca 500 boşlukla sonuçlandı. Ağustos ayında kendi verilerimiz üzerinde yaptığımız testlerde 800.000'den fazla küçük parça elde ettik. İşleme için çok daha büyük miktarda veri, tekniğin zayıf çalıştığını gösterdi; sonuç, beklenenin tam tersi oldu. Sonraki birkaç gün içinde panik büyüdü ve olası hataların listesi uzadı. 2 No'lu Binanın en üst katından, şakayla karışık "Sakin Odalar" olarak adlandırılan odaya bir adrenalin akışı sızdı. Bununla birlikte, çalışanların kelimenin tam anlamıyla bir daire içinde dolaşıp durumdan bir çıkış yolu aradığı en az birkaç hafta boyunca, orada hiçbir huzur veya sükunet duygusu yoktu.
Sorun sonunda Overlapper programıyla çalışan Arthur Delcher tarafından çözüldü. 150.000 satırlık kodun 678. satırında tuhaf bir şey fark etti; burada küçük bir tutarsızlık, maçın önemli bir bölümünün kaydedilmediği anlamına geliyordu. Hata düzeltildi ve 7 Eylül'de gerçek (ökromatik) meyve sineği genomunu kapsayan 134 hücre iskelesine sahip olduk. Çok sevindik ve rahat bir nefes aldık. Artık başarımızı tüm dünyaya duyurmanın zamanı geldi.
Birkaç yıl önce ev sahipliği yapmaya başladığım Genom Dizileme Konferansı bunun için mükemmel bir fırsat sağladı. Sözümüzü tutup tutmadığımızı öğrenmek isteyen çok sayıda insanın olacağından emindim. Mark Adams, Gene Myers ve Jerry Rubin'in başarılarımız ve hepsinden önemlisi sıralama süreci, genom birleşimi ve bunun bilim açısından önemi hakkında konuşmaları gerektiğine karar verdim. Konferansa gelmek isteyenlerin akını nedeniyle konferansı Hilton Head'den Miami'deki daha büyük Fontainebleau Oteli'ne taşımak zorunda kaldım. Konferansa büyük ilaç ve biyoteknoloji şirketlerinin temsilcileri, dünyanın dört bir yanından genom araştırmaları uzmanları, çok sayıda köşe yazarı, muhabir ve yatırım şirketi temsilcisi katıldı; herkes oradaydı. Incyte'deki rakiplerimiz konferans sonrası bir resepsiyon düzenlemek, kurumsal video çekimi vb. için çok para harcadılar - halkı "insan genomu hakkında en ayrıntılı bilgiyi" sunduklarına ikna etmek için her şeyi yaptılar.
Büyük bir konferans salonunda toplandık. Nötr renklerle dekore edilmiş, duvar lambalarıyla süslenmiş, iki bin kişi için tasarlanmıştı ama insanlar gelmeye devam etti ve salon çok geçmeden doldu. Konferans 17 Eylül 1999'da ilk oturumda Jerry, Mark ve Gene'nin sunumlarıyla açıldı. Kısa bir girişin ardından Jerry Rubin, kendisinin de dahil olduğu ünlü şirketlerin en iyi ortak projesini izleyicilerin duyacağını duyurdu. Ortam ısınıyordu. Seyirci, eğer gerçekten sansasyonel bir şey hazırlamamış olsaydık, onun bu kadar gösterişli konuşmayacağını fark etti.
Bunu takip eden sessizlikte Mark Adams, Celera'daki "fabrika dükkanımızın" çalışmalarını ve yeni genom dizileme yöntemlerimizi ayrıntılı olarak anlatmaya başladı. Ancak sanki seyirciyle dalga geçiyormuşçasına, bir araya getirilen genom hakkında tek kelime etmedi. Daha sonra Gene ortaya çıktı ve av tüfeği yönteminin ilkelerinden, Haemophilus'un dizilenmesinden ve montajcının ana aşamalarından bahsetti. Bilgisayar animasyonu kullanarak ters genom birleştirme sürecinin tamamını gösterdi. Sunumlar için ayrılan süre azalıyordu ve çoğu kişi, her şeyin belirli sonuçları sunmadan, PowerPoint kullanılarak yapılan temel bir sunumla sınırlı olacağına karar vermişti. Ancak daha sonra Gene, kötü niyetli bir gülümsemeyle, izleyicinin muhtemelen yine de gerçek sonuçları görmek isteyeceğini ve taklitle yetinmeyeceğini belirtti.
Sonuçlarımızı Gene Myers'tan daha açık ve anlamlı bir şekilde sunmak imkansızdı. Sıralama sonuçlarının tek başına doğru izlenimi yaratmayacağını fark etti ve daha ikna edici kılmak için bunları Jerry'nin geleneksel yöntemi kullanan özenli araştırmasının sonuçlarıyla karşılaştırdı. Aynı oldukları ortaya çıktı! Böylece Jin, genom derlememizin sonuçlarını, onlarca yıl önce meyve sineği genomunda haritalanan bilinen tüm işaretleyicilerle karşılaştırdı. Binlerce işaretleyiciden yalnızca altısı derlememizin sonuçlarıyla eşleşmedi. Altısını da dikkatlice inceleyerek Celera'nın sıralamasının doğru olduğuna ve diğer laboratuvarlarda eski yöntemler kullanılarak yapılan çalışmalarda hataların yer aldığına ikna olduk. Son olarak Gene, insan DNA'sını dizilemeye yeni başladığımızı ve tekrarların muhtemelen Drosophila'ya göre daha az sorun olacağını söyledi.
Bunu yüksek ve uzun süreli alkışlar izledi. Mola sırasında durmayan uğultu amacımıza ulaştığımız anlamına geliyordu. Gazetecilerden biri, hükümetin genom projesine katılanlardan birinin üzüntüyle başını salladığını fark etti: "Görünüşe göre bu alçaklar gerçekten her şeyi yapacak." Konferanstan yeni bir enerjiyle ayrıldık.
Çözülmesi gereken iki önemli sorun kalmıştı ve bunların her ikisi de bize tanıdık geliyordu. Birincisi, sonuçların nasıl yayınlanacağıdır. Jerry Rubin ile imzaladığımız mutabakat anlaşmasına rağmen iş ekibimiz değerli Drosophila dizileme sonuçlarının GenBank'a aktarılması fikrini onaylamadı. Meyve sineği sıralama sonuçlarının ayrı bir veri tabanına yerleştirilmesini önerdiler. Ulusal Merkez Herkesin tek bir şartla kullanabileceği biyoteknolojik bilgi; ticari amaçla değil. Avrupa Biyoenformatik Enstitüsü'nden öfkeli, ardı ardına sigara içen Michael Ashburner bu durumdan son derece mutsuzdu. Celera'nın "herkesi aldattığına" inanıyordu. (Rubin'e şunu yazdı: "Celera'da neler oluyor?" 3) Collins de mutsuzdu ama daha da önemlisi Jerry Rubin de mutsuzdu. Sonuçları yine de GenBank'a gönderdim.
İkinci sorun ise Drosophila ile ilgiliydi; genom dizilişinin sonuçlarını elde ettik ama bunların ne anlama geldiğini hiç anlamadık. Tıpkı dört yıl önce Haemophilus'ta yaptığımız gibi, bir makale yazmak istiyorsak onları analiz etmemiz gerekiyordu. Sineğin genomunu analiz etmek ve karakterize etmek bir yıldan fazla zaman alabilirdi ve benim o kadar vaktim yoktu çünkü artık insan genomuna odaklanmam gerekiyordu. Bunu Jerry ve Mark ile tartıştıktan sonra, bilim camiasını Drosophila üzerindeki çalışmaya dahil etmeye karar verdik, bunu heyecan verici bir bilimsel soruna dönüştürdük ve böylece konuyu hızlı bir şekilde ileriye taşıyarak sıkıcı genom tanımlama sürecinden eğlenceli bir tatil geçirdik - uluslararası bir izcilik şölenine benziyor. Buna Genomik Jamboree adını verdik ve dünyanın dört bir yanından önde gelen bilim adamlarını, sineğin genomunu analiz etmek için yaklaşık bir hafta veya on gün boyunca Rockville'e gelmeye davet ettik. Elde edilen sonuçlara dayanarak bir dizi makale yazmayı planladık.
Herkes bu fikri beğendi. Jerry, önde gelen araştırmacılardan oluşan gruplara etkinliğimiz için davetiyeler göndermeye başladı ve Celera biyoenformatik uzmanları, bilim adamlarının çalışmasını mümkün olduğu kadar verimli hale getirmek için hangi bilgisayarlara ve programlara ihtiyaç duyulacağına karar verdi. Celera'nın yol ve konaklama masraflarını karşılaması konusunda anlaştık. Davet edilenler arasında beni en sert şekilde eleştirenler de vardı ancak onların siyasi hırslarının girişimimizin başarısını etkilemeyeceğini umuyorduk.
Kasım ayında yaklaşık 40 Drosophila uzmanı bize geldi ve düşmanlarımız için bile teklif reddedilemeyecek kadar cazipti. Katılımcılar ilk başta yüz milyon baz çiftinden fazla genetik kodu birkaç gün içinde analiz etmeleri gerektiğini anladıklarında durum oldukça gergindi. Yeni gelen bilim adamları uyurken, personelim gece gündüz çalışarak öngörülemeyen sorunları çözecek programlar geliştirdi. Üçüncü günün sonunda, yeni yazılım araçlarının bilim insanlarına, konuklarımızdan birinin dediği gibi, "önceden neredeyse bir ömür süren şaşırtıcı keşifleri birkaç saat içinde yapmalarına" olanak tanıdığı ortaya çıktığında durum sakinleşti. Her gün gün ortasında Çin gongunun sinyali üzerine herkes en son sonuçları tartışmak, mevcut sorunları çözmek ve bir sonraki tur için bir çalışma planı hazırlamak üzere bir araya geliyordu.
Tartışmalar her geçen gün daha da ilginçleşiyordu. Celera sayesinde misafirlerimiz ilk bakan olma fırsatını yakalıyor yeni dünya ve göze çarpanlar beklentileri aştı. Kısa süre sonra istediğimiz her şeyi tartışmak ve bunların ne anlama geldiğini anlamak için yeterli zamanımızın olmadığı ortaya çıktı. Mark bir kutlama yemeği düzenledi ama herkes hızla laboratuvarlara döndüğünden bu çok uzun sürmedi. Çok geçmeden öğle ve akşam yemekleri, Drosophila genomuyla ilgili verilerin görüntülendiği bilgisayar ekranlarının önünde tüketilmeye başlandı. İlk kez, insan hastalık genlerine benzer şaşırtıcı sayıda meyve sineği geninin yanı sıra, uzun zamandır beklenen reseptör gen aileleri de keşfedildi. Her keşfe neşeli çığlıklar, ıslıklar ve dostane omuz vuruşları eşlik ediyordu. Şaşırtıcı bir şekilde, bilimsel şölenimizin ortasında bir çift nişanlanmak için zaman buldu.
Ancak bazı endişeler vardı: Çalışma sırasında bilim insanları beklenen 20 bin yerine yalnızca 13 bin kadar gen keşfetti. "Alt" solucan C. elegans'ın yaklaşık 20 bin geni olduğundan, çoğu kişi meyve sineğinin bunlardan daha fazlasına sahip olması gerektiğine inanıyordu, çünkü 10 kat daha fazla hücreye sahipti ve hatta sinir sistemi. Hesaplamalarda hata olmadığından emin olmanın basit bir yolu vardı: Sineğin bilinen 2.500 genini alın ve dizimizde bunlardan kaç tanesini bulabileceğimize bakın. Dikkatli bir analizin ardından Stanford Üniversitesi'nden Michael Cherry, altı gen dışında tüm genleri bulduğunu bildirdi. Tartışmanın ardından bu altı gen yapay olarak sınıflandırıldı. Genlerin hatasız tespit edilmesi bize ilham verdi ve güven verdi. Drosophila araştırmasına adanmış binlerce bilim insanından oluşan bir topluluk, bu 2.500 geni takip etmek için onlarca yıl harcamıştı ve şimdi 13.600 kadarı bilgisayar ekranında önlerindeydi.
İşin sonunda kaçınılmaz olan fotoğraf çekimi sırasında unutulmaz bir an geldi: Geleneksel omuz sıvazlama ve dostça tokalaşmaların ardından Mike Ashburner dört ayak üzerine çöktü ve ben de ayağımı sırtında fotoğrafta ölümsüzleştirebildim. . Bu nedenle, tüm şüphelerine ve kuşkuculuğuna rağmen, başarılarımıza itibar etmek istedi. Ünlü bir genetikçi ve Drosophila araştırmacısı, fotoğrafa uygun bir başlık bile buldu: "Bir devin omuzlarında duruyor." (Oldukça zayıf bir figürü vardı.) Daha sonra "Bunu hak edenlere itibar edelim" diye yazdı 4 . Rakiplerimiz, sıralama sonuçlarının kamuya açık bir veri tabanına aktarılmasındaki gecikmeleri, sözlerimizden sapma olarak sunmaya çalıştılar, ancak onlar da, toplantının “küresel meyve sineği araştırmalarına son derece değerli bir katkı” sağladığını kabul etmek zorunda kaldılar 5 . Gerçek "bilimsel nirvananın" ne olduğunu deneyimledikten sonra herkes arkadaş olarak ayrıldı.
Üç büyük makale yayınlamaya karar verdik: biri Mike'ın ilk yazarı olduğu tüm genom dizilimi üzerine, biri Gene'nin ilk yazarı olduğu genom derlemesi ve üçüncüsü Jerry'nin ilk yazarı olduğu solucan, maya ve insan genomunun karşılaştırmalı genomiği hakkında yazar. Makaleler Şubat 2000'de Science'a sunuldu ve 24 Mart 2000'de, Jerry Rubin ile Cold Spring Harbor'da yaptığım konuşmadan bir yıldan az bir süre sonra özel bir sayıda yayınlandı. 6 Yayınlanmadan önce Jerry benim için bir konuşma ayarladı. yıllık konferans Alanında en seçkin yüzlerce uzmanın katıldığı Pittsburgh'daki Drosophila Araştırması hakkında. Personelim odadaki her sandalyeye Drosophila genomunun tamamını içeren bir CD'nin yanı sıra Science'ta yayınlanan makalelerimizin yeniden basımlarını yerleştirdi. Jerry beni çok sıcak bir şekilde tanıştırdı ve kalabalığa tüm yükümlülüklerimi yerine getirdiğim ve birlikte iyi çalıştığımız konusunda güvence verdi. Konuşmam, toplantı sırasında yapılan bazı araştırmaların raporlanması ve CD'deki verilere ilişkin kısa bir yorumla sona erdi. Konuşmamın ardından gelen alkışlar, beş yıl önce Ham ve benim bir mikrobiyoloji kongresinde Haemophilus genomunu ilk kez sunduğumuz zamanki kadar şaşırtıcı ve keyifliydi. Daha sonra Drosophila genomuyla ilgili makaleler bilim tarihinde en sık alıntı yapılan makaleler haline geldi.
Dünyanın dört bir yanındaki binlerce meyve sineği araştırmacısı sonuçlardan memnun olsa da beni eleştirenler hızla saldırıya geçti. John Sulston, sineğin genomunu sıralama girişimini başarısızlık olarak nitelendirdi; her ne kadar elde ettiğimiz dizilim, solucanın genomunun dizilimini yapmak için on yıllık özenli çabanın sonucundan daha eksiksiz ve daha doğru olsa da (ki bunun tamamlanması bir dört yıl daha aldı) taslağı Science'da yayınladıktan sonra. Sulston'un meslektaşı Maynard Olson, Drosophila genom dizisini hükümetin İnsan Genomu Projesi'nin Celera'nın "lütfuyla" çözmesi gereken bir "rezalet" olarak nitelendirdi. Aslında Jerry Rubin'in ekibi, dizide kalan boşlukları yayınlayarak hızla kapatmayı başardı ve karşılaştırmalı analiz zaten iki yıldan kısa bir sürede genomun şifresini çözdü. Bu veriler, tüm genomda 10 kb başına 1-2 hataya sahip olduğumuzu ve çalışan (ökromatik) genomda 50 kb başına 1'den az hataya sahip olduğumuzu doğruladı.
Ancak Drosophila projesinin genel beğenisine rağmen Tony White ile ilişkimdeki gerginlikler 1999 yazında doruğa ulaştı. White, basının şahsıma gösterdiği ilgiyi kabullenemedi. Celera'ya her gelişinde, ofisimin yanındaki koridorun duvarlarında asılı olan, başarılarımızla ilgili makalelerin yanından geçerdi. Ve burada bunlardan birini büyüttük; USA Today gazetesinin Pazar ekinin kapağını. Üzerinde “Bu MACERACI en büyük başarıyı başarabilecek mi?” başlığı altında bilimsel keşif zamanımızın mı? 7 beni mavi kareli bir gömlekle bacak bacak üstüne atmış halde gösteriyordu ve etrafımda Kopernik, Galileo, Newton ve Einstein havada süzülüyordu ve White'tan hiçbir iz yoktu.
Her gün basın sözcüsü Tony'nin Celera'da gerçekleşen sonsuz gibi görünen röportaj akışına katılıp katılamayacağını öğrenmek için aradı. Biraz sakinleşti - ve o zaman bile sadece kısa süreliğine, ertesi yıl PerkinElmer'in sermayesini 1,5 milyar dolardan 24 milyar dolara çıkarmayı başaran adam olarak fotoğrafını Forbes dergisinin kapağına koymayı başardığında. (“Tony White, zavallı PerkinElmer'ı yüksek teknolojili bir gen yakalayıcıya dönüştürdü.”) Sosyal aktivitelerim de Tony'nin aklından çıkmıyordu.
Haftada bir kez bir konuşma yapıyordum ve dünyanın çalışmalarımız hakkında bilgi sahibi olmasını istediği için sürekli olarak aldığım çok sayıda davetin küçük bir kısmını kabul ediyordum. Hatta Tony, o zamanlar PE Corporation olarak yeniden adlandırılan PerkinElmer'in yönetim kuruluna, gezilerimin ve orada bulunmalarımın kurumsal kuralları ihlal ettiği konusunda şikayette bulundu. Cape Cod'daki evimde geçirdiğim iki haftalık tatil sırasında (masrafları bana ait olmak üzere) Tony, CFO Dennis Winger ve Applera genel danışmanı William Sauch ile birlikte üst düzey çalışanlarla "Venter'ın yönetim etkinliği" hakkında röportaj yapmak için Celera'ya uçtu. Görevden alınmamı haklı çıkaracak kadar pislik toplamayı umuyorlardı. Herkes ben istifa edersem onların da istifa edeceğini söylediğinde White şok oldu. Bu, ekibimizde büyük bir gerginliğe neden oldu ama aynı zamanda bizi her zamankinden daha da yakınlaştırdı. Her zaferimizi son zaferimizmiş gibi kutlamaya hazırdık.
Sineğin genom dizisinin - o zamana kadar tarihteki en büyük dizilim - yayınlanmasının ardından Gene, Ham, Mark ve ben, Tony White'ın başarımızın tanınmasına yetecek kadar uzun süre ayakta durduğu için kadeh kaldırdık. Yöntemimizin insan genomunu dizilerken de işe yarayacağını kanıtladık. Tony White ertesi gün finansmanı bıraksa bile asıl başarımızın bizimle kalacağını biliyorduk. Her şeyden çok Celera'dan ayrılmak ve Tony White'la uğraşmak zorunda kalmamak istiyordum ama Homo sapiens'in genomunu daha da fazla dizilemek istediğim için bir uzlaşma yapmak zorunda kaldım. Çalışmaya devam etmek ve planımı tamamlamak için White'ı memnun etmek için elimden gelenin en iyisini yapmaya çalıştım.
Notlar
1. Shreeve J. Genom Savaşı: Craig Venter Hayatın Şifresini Yakalamaya ve Dünyayı Kurtarmaya Nasıl Çalıştı (New York: Ballantine, 2005), s. 285.
2. Ashburner M. Herkes İçin Kazandı: Drosophila Genomu Nasıl Sıralandı (Cold Spring Harbor Laboratory Press, 2006), s. 45.
3. Shreeve J. Genom Savaşı, s. 300.
4. Ashburner M. Herkes İçin Kazandı, s. 55.
5. Sulston J., Ferry G. The Common Thread (Londra: Corgi, 2003), s. 232.
6. Adams M.D., Celniker S.E. ve diğerleri. "Drosophila Melanogaster'ın Genom Dizisi", Science, no. 287, 2185–95, 24 Mart 2000.
7. Gillis J. “Bu MAVERICK Çağının En Büyük Bilimsel Keşfinin Kilidini Açabilecek mi? Copernicus, Newton, Einstein ve VENTER?”, ABD Hafta Sonu, 29–31 Ocak 1999.
8. Ross P. E. “Gen Makinesi”, Forbes, 21 Şubat 2000.
Craig Venter