Žmogaus genome, kaip ir visų gyvųjų organizmų, genetinė informacija yra saugoma ilgose DNR molekulėse, esančiose ląstelių branduoliuose. Ši informacija egzistuoja kaip išilgai DNR molekulės išsirikiavusios keturios bazės: citozinas, guaninas, timinas ir adeninas. Žmogaus genome yra kiek daugiau nei 3 milijardai šių „raidžių“.
Transpozonai: Judrieji Genomo Elementai
Pirmą kartą judrieji DNR fragmentai, dabar žinomi kaip transpozonai arba judrieji genomo elementai, buvo pastebėti 1944 metais amerikiečių mokslininkės Barbaros McClintock, tyrus kukurūzus. Ji iškėlė hipotezę, kad mozaikinę išvaizdą kukurūzų burbuolės greičiausiai įgauna dėl tam tikrų DNR fragmentų, kurie keičia savo vietą DNR. Iš pradžių kiti mokslininkai skeptiškai vertino šią teoriją. Visgi, kai judantys DNR fragmentai buvo aptikti ir bakterijose, 1983 metais B. McClintock buvo apdovanota Nobelio premija. B. McClintock apibrėžtos DNR sekos seniau buvo vadinamos šokinėjančiais genais, o šiandien yra žinomos kaip transpozonai. Palyginus su įprastais genais, kurie užima vos 2 procentus genomo, transpozonai sudaro didžiąją dalį genomo.
Transpozonų judėjimo pasekmes R. Žedaveinytė įvardija taip: „Tai duoda tam tikrą pranašumą evoliucijos perspektyvoje. Teigiamas genomo dinamiškumo efektas žmonėms - imuniteto formavimasis, bakterijoms - atsparumo antibiotikams išvystymas.“
Žmogaus Genomo Projektas ir Jo Užbaigimas
Pirmoji nuosekli genoskaita su didžiulėmis fanfaromis buvo publikuota 2001 metais Tarptautinio žmogaus genomo nuskaitymo konsorciumo (International Human Genome Sequencing Consortium - HGSC) ir JAV kompanijos Celera Genomics. Pats projektas prasidėjo dešimtmečiu anksčiau, 1990 metais. Kadangi genomą reikėjo nuskaityti mažomis atkarpomis ir tuomet jas vėl sujungti, kai kurių sekcijų, kuriose daug pasikartojimų, sudėlioti buvo neįmanoma, truputį panašiai sudėlioti dėlionę, kurios visi gabalėliai atrodo vienodi. Trūko maždaug 8 procentų genomo, arba tikėtina, kad jie buvo klaidingi.
Per kitus tris metus HGSC kai kuriuos iš tų plyšių užpildė, ir konsorciumas paskelbė atlikęs viską, ką galėjo. Genetikai šį referencinį genomą vis papildydavo, bet didžiąja dalimi papildydami esančias sekas, o ne pridėdami naujas.
Žmogaus genomo projektas | Genetika | Biologija | FuseSchool
Telomere-to-Telomere Konsorciumas ir Naujoji Genomo Versija
Naująją genomo versiją sukūrė Telomere-to-Telomere konsorciumas, kuriam vadovauja Karen Miga iš Kalifornijos universiteto, Santa Cruz, ir Adam Phillippy iš Nacionalinio žmogaus genomo tyrimo instituto Marylande. 2018 metais jie dalyvavo komandoje, nuskaičiusioje dideles, daugiau nei 100 000 bazių, genomo atkarpas, kurios padėjo užpildyti kai kurias trūkstamas dalis.
„Buvus dalimi pradinio Human Genome Project dalimi 2001 ir ypatingą dėmesį skyrus sudėtingiems regionams, man iš tiesų malonu išvysti šitą darbą užbaigtą, nors tai ir truko 20 metų“, - sako Evan Eichler iš Vašingtono universiteto Seattle.
Naujajame genome papildomai yra 200 milijonų bazių porų - DNR „raidžių“, ir dar daugiau nei 2000 papildomų genų. Naujoje versijoje yra beveik 200 milijonų raidžių daugiau nei ankstesnėje versijoje, o 2226 sekcijos yra beveik identiškos žinomų genų kopijos. Komanda prognozuoja, kad iš šių naujų genų 115 koduoja baltymus. Naujame genome yra 63 494 genai, kai tuo tarpu 2019 metais paskelbtame atnaujintame jų buvo 60 090. Baltymus koduojančių genų padaugėjo nuo 19 890 iki 19 969. „Tai yra daug, daug geriau, nei ką nors turėjome“, - sako Aida Andrés iš UCL.
CHM13 Ląstelių Linijos Naudojimas
Tyrėjai nusprendė skaityti ląstelių linijos CHM13 genomą. Jis yra iš nepavykusio nėštumo audinių masės (hydatidiform mole), kuomet kiaušinėlis gimdoje praranda savo genomą, o tada apvaisinamas spermatozoidu. Susidariusi ląstelė turi tik pusę normalaus embriono DNR, todėl duplikuojama spermatozoido DNR. Tokios ląstelės suformuoja pavojingus auglius, vėžius, ir turi būti pašalintos. Tuomet jos gali augti laboratorijoje - neribotai. „Tai yra savotiškai unikalus genomas, nes nėra kieno nors gyvenusio“, - sako Phillippy. Tai yra vieno spermatozoido DNR, tad, jame yra pusė potencialaus tėvo genomo, kuris buvo padvigubintas.
Įprastose žmogaus ląstelėse yra dvi kiekvienos DNR gijos kopijos, kurios dažnai būna gan skirtingos, nes viena yra iš motinos, kita - iš tėvo. Tai apsunkina tikslų DNR nuskaitymą, nes keblu pasakyti, kur yra klaida, o kur tikras skirtumas. Naudojant CHM13, šios problemos nelieka, nes dvi kopijos yra praktiškai identiškos.
Genomo Nuskaitymo Technologijos ir Iššūkiai
Genomui nuskaityti komanda sujungė dvi technologijas. Viena buvo sekoskaitos tipas, nuskaitantis itin ilgas, daugiau nei milijono raidžių, atkarpas, o kitas sekoskaitos tipas pateikia itin tikslius rezultatus, tad, galintis susitvarkyti su labai mažai besiskiriančiomis sekcijomis - tarkime, daugybe to paties geno kopijų. Žmogaus DNR saugoma didelėse molekulėse, vadinamose chromosomomis, kurių centre X forma susijungia keturios atšakos. Didžioji dalis sunkiai perskaitomos DNR yra apie tuos centrinius taškus, vadinamas centromeromis. Be to, kai kurios chromosomos yra nesimetriškos, viena jų atšakų pora trumpesnė už kitą: trumposiose atšakose yra daug sudėtingos DNR. Iš pradžių, 2020 rugpjūtį komanda publikavo visą žmogaus lytinę X chromosomą. Dabar paskelbė visą žmogaus genomą.
Didžiosios Britanijos mokslininkams pavyko vizualizuoti svarbų ląstelių genetinės medžiagos kopijavimo procesą. „Užfiksavome keletą vaizdų, rodančių, kaip šis molekulinis variklis metodiškai atskiria dvigubą DNR spiralę. „Šis „entropijos perjungimo“ mechanizmas iš esmės skiriasi nuo to, kaip, mūsų manymu, veikia molekuliniai varikliai“, - sakė daktaras Shahidas.
Segmentų Dubliavimasis ir Genų Apibrėžimas
Antrajame straipsnyje, Eichlerio komanda sutelkė dėmesį į segmentų dubliavimąsi: ilgas DNR atkarpas, kurios buvo vėl ir vėl nukopijuotos. Kitaip nei „DNR šiukšlės“, kurios dažnai atrodo kaip beprasmiai pakartojimai, dubliuojančiuose segmentuose yra suprantamas funkcijas atliekančių genų ir kitų sekų. Dėl to žmonės gali turėti daug kai kurių genų kopijų. Segmentų dublikatai sudaro beveik trečdalį naujos sekos ir 7 procentus viso genomo. O dar jų sekose įvairovės daugiau, nei regionuose be dublikatų. Eichleris mano, kad segmentų duplikacija buvo svarbi žmonių evoliucijai. „Jos yra genomo vieta, kur gali rastis nauji genai“, - tikina jis, nes viena kopija gali keistis kaip tinkama. „Žmonėse yra keletas dubliuotų genų, kurie buvo kritiškai svarbūs kuriant didesnes smegenis, skiriančias mus nuo kitų žmogbeždžionių“, - pabrėžia jis. Net jei ir smarkiai nepasikeisdami, šie duplikuoti genai daro didelę įtaką jau vien tuo, kad daugiau kuriama jais koduojamo baltymo, paaiškina Andrés. Segmentų dubliavimasis vis žmonių evoliucijos paaiškinti negali, nes tai labai sudėtingas procesas, „bet jie svarbūs“, - pažymi ji.
Phillippy pažymi, kad genų skaičiai nėra užtikrinti. „Geno apibrėžimas tebėra truputį nevienareikšmis“, - teigia jis. Tradiciškai genais buvo laikomos DNR sekcijos, koduojančios baltymą, bet iš tiesų, daug genų baltymų nekoduoja ir atlieka kitas funkcijas.
DNR Įjungimas ir Išjungimas: Epigenetiniai Žymenys
Naujasis genomas gerokai palengvins dubliuotų genų tyrimą, nes lyginant su ankstesne versija, dabar daug didesnė tikimybė, kad jame esančios sekos yra teisingos, sako Andrés. Segmentų duplikatus suprasti yra gyvybiškai svarbu, nes kai kurie iš jų lemia genetinius sutrikimus, sako Eichleris. Trečiame straipsnyje, komanda, kuriai vadovavo Winstonas Timpas iš Johns Hopkins universiteto Baltimorėje, tyrė metilo grupių cheminius žymenis, kurie prisitvirtina įvairiose DNR vietose. Šie „epigenetiniai“ žymenys lemia genų įjungimą ir išjungimą. Timpo komanda naująjį genomą panaudojo nustatyti naujai ištirtų vietų metilinimą. Jie išsiaiškino, kad metilinimo lygis aplink centromeras chromosomų viduje yra mažas. Šie regionai gyvybiškai svarbūs reprodukcijai ir ląstelių dalijimuisi. Juose atsiradę sutrikimai gali kelti pavojų. „Vėžiuose dažnai įgaunama ar prarandama ištisa chromosoma“, - teigia Timpas. Žvelgiant į ilgą perspektyvą, supratimas, kaip dalijasi ląstelės, o taip pat metilinimo supratimas, gali parodyti naujų vėžio gydymo būdų.
Endogeniniai Retrovirusai ir Jų Funkcijos
Apie 8 procentų žmogaus DNR sudaro genetinės sekos, perimtos iš senovinių virusų. Endogeniniai retrovirusai yra užsikrėtimų senoviniais retrovirusais palikimas. Evoliucijos eigoje tikriausiai ne kartą buvome užsikrėtę retrovirusais. Iš pradžių mokslininkai manė, kad endogeniniai retrovirusai yra „šiukšlinė DNR“ - jokios pastebimos funkcijos neatliekančios genomo dalys. Pirmiausia mokslininkai nustatė, kad endogeniniai retrovirusai gali reguliuoti kitų žmogaus genų raišką. Pirminiai tyrimai parodė, kad endogeniniai retrovirusai reguliuoja gretimų genų, atliekančių svarbias biologines funkcijas, raišką. Taip pat nustatyta, kad kraujo ir smegenų mėginiuose endogeniniai retrovirusai gamina RNR ir net baltymus. Mokslininkai taip pat rado įrodymų, kad tam tikri žmogaus genai yra kilę iš endogeninių retrovirusų.
Ši informacija palyginta su didelių genetinių tyrimų, kuriuose buvo lyginami dešimčių tūkstančių žmonių, turinčių ir neturinčių psichikos sveikatos sutrikimų, genetiniai skirtumai, rezultatais. Nustatyta, kad keturių endogeninių retrovirusų raiška susijusi su genetiniu polinkiu į pagrindinius psichikos sutrikimus. Su psichikos sutrikimais susiję daugybė genų, o endogeniniai retrovirusai yra tik dalis šios dėlionės. Kol kas dar per anksti spręsti apie praktinį atradimų pritaikymą ir apie tai, ar jie gali būti panaudoti kuriant naujus gydymo būdus.
DNR Biosintezės (Replikacinė) Sistema
DNR biosintezės (replikacinė) sistema - tai fermentų, kurių reikia DNR biosintezei (replikacijai), rinkinys. Iš prokariotų yra išskirta DNR polimerazė I, DNR polimerazė II, ir DNR polimerazė III. Dar yra žinomos DNR polimerazė IV ir DNR polimerazė V, atliekančios specifines funkcijas. Iš eukariotų ląstelių išskirtos penkios DNR polimerazės - α, β, γ, δ, ε. DNR polimerazės γ yra mitochondrijose. DNR polimerazes β turi branduoliai, jos mažai veiksmingos. Kitos trys polimerazės - α, δ, ε - yra svarbiausios eukariotų dvigubėjimui.
Be DNR polimerazių, vykstant E. coli DNR biosintezei (replikacijai), dalyvauja apie 40 skirtingų fermentų ir baltyminių veiksnių, kurių kiekvienas atlieka tam tikrą funkciją: dalyvauja atpažįstant DNR biosintezės (replikacijos) pradžios (iniciacijos) vietą, ori - išvyniojant motininę DNR į dvigubąją (replikacinę) šakutę ir t. t. Sudėtingas, tikslią replikaciją atliekantis kompleksas vadinamas DNR biosintezės (replikacine) sistema, arba replisoma. Svarbiausi fermentai yra:
- Helikazės: fermentai, išvyniojantys dvi DNR grandines.
- Topoizomerazės: grupė fermentų, kurie gali sudaryti tam tikrus DNR topologinius izomerus ir sumažinti išsivyniojimo metu sukeltą topologinę įtampą (stresą).
- Vieną DNR grandinę sujungiantys baltymai (SSB): jie atpažįsta viengrandę DNR, prie jos prisijungia, neleisdami išvyniotai DNR renatūruoti.
- Praimazė: fermentas, sintetinantis RNR sekas - RNR pradmenį.
- DNR ligazė: fermentas, dalyvaujantis vykstant vėluojančios DNR grandinės sintezei.