Genomics - studi tentang seluruh genom

Kemajuan terbaru dalam pengurutan dan pengembangan sarana teknis untuk diproses jumlah yang besar klon di perpustakaan gen memungkinkan para ilmuwan untuk mempelajari seluruh genom suatu organisme sekaligus. Urutan lengkap banyak spesies kini telah ditentukan, termasuk sebagian besar yang disebut organisme genetik model seperti: E.coli;cacing gelang Caenorhabditis elegans; dan, tentu saja, objek klasik genetika, lalat buah Drosophila melanogaster. Pada 1990-an, terlepas dari sejumlah masalah dan ketidaksepakatan, sebuah proyek diluncurkan untuk mempelajari genom manusia ("Genom Manusia"), yang dananya dialokasikan oleh Institut Nasional kesehatan. Pada bulan Februari 2001 kelompok besar peneliti yang dipimpin oleh J. Craig Venter dari laboratorium swasta Celera Genomics membuat pernyataan tentang decoding awal genom manusia. Hasil kerja mereka dipublikasikan pada 16 Februari 2001 di jurnal Science.

Versi lain, yang diajukan oleh kelompok dari International Human Genome Sequencing Consortium, diterbitkan pada 13 Februari 2001 di jurnal Nature.

Kelahiran genomik dapat dianggap sebagai pertengahan abad ke-20, ketika para ahli genetika memetakan semua kromosom organisme model berdasarkan frekuensi rekombinasi (lihat Bab 8). Namun, peta-peta ini hanya menunjukkan gen-gen yang alel mutannya diketahui, dan oleh karena itu peta-peta tersebut tidak dapat disebut lengkap. Sekuensing DNA lengkap memungkinkan Anda untuk menemukan semua gen suatu organisme, serta menetapkan urutan basa di antara mereka.

Genomik dibagi menjadi struktural dan fungsional. Genomik struktural bertujuan untuk mengetahui secara pasti letak gen tertentu dalam DNA kromosom. Program komputer mengenali awal dan akhir khas gen, memilih urutan yang paling mungkin menjadi gen. Urutan seperti itu disebut kerangka baca terbuka (OFR). Sama program komputer juga dapat mengenali intron tipikal dalam urutan OFR. Setelah intron diisolasi dari gen potensial, komputer menggunakan kode yang tersisa untuk menentukan urutan asam amino dalam protein. Kemudian protein potensial tersebut dibandingkan dengan protein yang sudah diketahui fungsinya dan urutannya sudah masuk ke dalam database. Berkat program semacam ini, yang disebut konservatisme evolusioner: bahwa untuk sebagian besar gen dalam organisme yang berbeda terdapat gen yang serupa. Dari sudut pandang perkembangan evolusioner, kesamaan ini dapat dimengerti: jika protein dari satu spesies biologis beradaptasi dengan baik untuk fungsinya, maka gennya ditransmisikan dalam bentuk yang sama atau dengan perubahan kecil untuk spesies yang berasal dari awal. Konservatisme evolusioner memungkinkan identifikasi gen yang terkait dengan gen tertentu dalam organisme lain. Dengan membandingkan gen yang dihasilkan dengan gen yang telah diketahui, seringkali dimungkinkan untuk menentukan fungsinya, dengan memeriksanya dalam eksperimen berikutnya.

Setelah semua gen potensial telah diidentifikasi, pemetaan genetik dimulai. Peta genetik manusia adalah diagram yang agak membingungkan dan beraneka ragam, karena setiap gen ditandai dengan warna tertentu tergantung pada fungsinya, yang ditetapkan dibandingkan dengan gen lain yang diketahui. Sebagian besar gen manusia, seperti gen semua eukariota pada umumnya, memiliki intron yang besar. Menurut perkiraan kasar, di antara urutan yang diterbitkan, sekitar sepertiga atau seperempatnya adalah intron. Anehnya, hanya sekitar 1,5% dari seluruh genom manusia (sekitar 2,9 x 109 pasangan basa) yang mengandung sekuens (ekson) yang mengkode protein. Juga, DNA ini tampaknya hanya mengandung 35.000-45.000 gen, yang lebih sedikit dari yang diperkirakan. Kami belum memahami bagaimana sejumlah kecil kode gen untuk organisme kompleks seperti itu.

Jumlah salinan DNA berulang orang yang berbeda tidak sama, sehingga dapat digunakan untuk menetapkan identitas, termasuk dalam kedokteran forensik.

genomik fungsional adalah studi tentang fungsi gen pada tingkat seluruh genom. Meskipun gen potensial dapat diidentifikasi dengan kesamaannya dengan gen yang melakukan fungsi yang diketahui pada organisme lain, semua tebakan harus diuji terhadap organisme yang diteliti. Dalam beberapa organisme model, seperti ragi nutrisi, dimungkinkan untuk secara sistematis mematikan fungsi gen satu per satu. Mematikan gen terjadi dengan mengganti bentuk fungsionalnya dengan bentuk terhapus pada vektor khusus. Kemudian dapatkan strain dengan gen yang dinonaktifkan dan evaluasi fenotipenya. Dalam program yang sedang berlangsung untuk menganalisis genom ragi nutrisi, beberapa ribu gen telah dimatikan satu per satu.

Metode lain dari genomik fungsional adalah bahwa mereka mempelajari mekanisme transkripsi pada tingkat seluruh genom. Metode ini berdasarkan asumsi bahwa sebagian besar fenomena biologis mewakili proses yang kompleks melibatkan banyak gen. Yang menarik bagi para peneliti adalah proses yang terkait dengan perkembangan organisme, yang kami sebutkan di Bab. 11. Jika transkripsi gen dipelajari di kondisi yang berbeda pertumbuhan, maka Anda bisa mendapatkan gambaran tentang jalur genetik lengkap dari perkembangan organisme.

Tetapi bagaimana transkripsi dapat dipelajari pada tingkat genom yang luas? Sekali lagi, teknologi baru membantu para ilmuwan dalam hal ini. DNA masing-masing gen dalam genom atau beberapa bagian genom ditempatkan pada permukaan pelat kaca kecil yang disusun secara berurutan. Kemudian mereka terkena semua jenis mRNA yang ditemukan di dalam sel organisme yang diberikan. DNA pada pelat diperoleh dengan dua cara. Dalam satu cara, semua mRNA mengalami transkripsi terbalik untuk mendapatkan molekul DNA komplementer pendek yang sesuai dengan satu gen. Dengan cara lain, gen (atau bagian dari gen) disintesis satu basa pada satu waktu di area pelat tertentu. Sintesis dilakukan oleh robot yang membuka dan menutup permukaan kaca dalam urutan tertentu. Rekaman dengan genom banyak organisme dapat dibeli dari perusahaan kimia.

Genomics biasanya disebut salah satu cabang biologi molekuler. Tugas utamanya terletak pada apa yang disebut sekuensing genom - studi tentang urutan nukleotida DNA dan RNA. Jangan bingung antara kata genetika dan genomik. Genetika berkaitan dengan studi tentang mekanisme hereditas dan variabilitas, dan genomik dirancang untuk mempraktekkan pengetahuan yang diperoleh.

Dari sejarah ilmu pengetahuan

Sebagai bidang khusus, genomik dibentuk pada 1980-1990 seiring dengan munculnya proyek pertama untuk sekuensing (analisis molekuler) genom. jenis tertentu organisme hidup.

Struktur genomik

Dalam genomik modern, ada banyak subbagian:

• genomik komparatif atau evolusioner, didasarkan pada perbandingan organisasi dan isi genom berbagai organisme hidup;
• genomik fungsional - mempelajari secara rinci fungsi gen, dampaknya terhadap aktivitas gen;
• Genomik struktural berkaitan dengan pengurutan, analisis molekuler DNA, atas dasar peta genomik yang dibuat dan dapat dibandingkan.

Mengapa kita membutuhkan genomik

Sejumlah besar genom dari berbagai mikroorganisme (terutama patogen) telah diuraikan. Hal ini memungkinkan untuk mencari gen target obat di sini dan untuk memproduksi obat baru.

Genomik dianggap sebagai bagian integral dan penting biologi umum. Mampu memberikan kontribusi yang signifikan bagi perkembangan bioteknologi, Pertanian, kesehatan.

Di sebuah rumah sakit di Wisconsin, seorang balita berusia tiga tahun membuat para dokter bingung untuk waktu yang lama. Pada anak ini, ususnya bengkak, dan hampir seluruhnya penuh dengan abses. Anak ini telah bertahan lebih dari seratus operasi pada usia tiga tahun. Bayi itu diberi urutan lengkap daerah pengkodean DNA-nya, penyebab penyakit itu diidentifikasi - protein XIAP, yang terlibat dalam rantai sinyal kematian sel terprogram, memainkan peran yang sangat penting. peran penting dalam sistem imun. Karena diagnosis, ahli fisiologi merekomendasikan transplantasi sumsum tulang. Bayi itu diselamatkan.

Kasus lain melibatkan kanker atipikal pada wanita berusia tiga puluh sembilan tahun yang menderita leukemia promyelocytic akut. Saat menggunakan metode diagnostik standar, penyakit ini tidak dapat dideteksi. Tetapi ketika menguraikan dan menganalisis genom sel kanker adalah mungkin untuk mengetahui bahwa sebagian besar kromosom kelima belas pindah ke ketujuh belas, yang memicu interaksi gen tertentu. Pasien diberikan pengobatan yang memadai.

Draf pertama, 2003 - penyelesaian proyek). Perkembangannya menjadi mungkin tidak hanya karena peningkatan metode biokimia, tetapi juga karena munculnya yang lebih kuat ilmu Komputer yang memungkinkan untuk bekerja dengan sejumlah besar data. Panjang genom dalam organisme hidup kadang-kadang diukur dalam miliaran pasangan basa. Misalnya, genom manusia adalah sekitar 3 miliar pasangan basa. Genom terbesar yang diketahui (pada awal 2010) milik salah satu spesies lungfish (sekitar 110 miliar pasang).

Bagian genomik

genomik struktural

Genomik struktural - konten dan organisasi informasi genom. Ini bertujuan untuk mempelajari gen dengan struktur yang diketahui untuk memahami fungsinya, serta untuk menentukan struktur ruang jumlah maksimum molekul protein "kunci" dan pengaruhnya terhadap interaksi.

genomik fungsional

Genomik fungsional adalah implementasi informasi yang direkam dalam genom dari gen ke sifat.

genomik komparatif

Genom komparatif (evolusi) - studi komparatif tentang konten dan organisasi genom organisme yang berbeda.

Mendapatkan urutan genom lengkap telah menjelaskan tingkat perbedaan antara genom organisme hidup yang berbeda. Tabel di bawah ini menyajikan data awal tentang kesamaan genom organisme yang berbeda dengan genom manusia. Kesamaan diberikan sebagai persentase (mencerminkan proporsi pasangan basa yang identik dalam dua spesies yang dibandingkan).

Melihat	kesamaan	Catatan dan sumber
Manusia	99,9 %	Proyek Genom Manusia
	100 %	kembar identik
Simpanse	98,4 %	Amerika untuk Kemajuan Medis;
	98,7 %	Richard Mural dari Celera Genomics, dikutip di MSNBC
Bonobo, atau simpanse kerdil		Sama halnya dengan simpanse.
Gorila	98,38 %	Berdasarkan studi DNA non-repetitif intergenik (American Journal of Human Genetics, Februari 2001, 682, hlm. 444-456)
Mouse	98 %
	85 %	ketika membandingkan semua sekuens yang mengkode protein, NHGRI
Anjing	95 %	Jon Entine di San Francisco Examiner
C.elegan	74 %	Jon Entine di San Francisco Examiner
pisang	50 %	Amerika untuk Kemajuan Medis
Narsisis	35 %	Steven Rose di The Guardian 22 Januari

Contoh penerapan genomik dalam kedokteran

Di rumah sakit Wisconsin, seorang anak berusia tiga tahun membingungkan dokter untuk waktu yang lama, ususnya bengkak dan penuh dengan abses. Pada usia tiga tahun, anak ini telah mengalami lebih dari seratus operasi terpisah. Baginya, urutan lengkap daerah pengkodean DNA-nya diperintahkan, menurut hasil, dengan bantuan cara improvisasi, penyebab penyakit diidentifikasi - protein XIAP yang terlibat dalam rantai sinyal kematian sel terprogram. Pada operasi normal itu memainkan peran yang sangat penting dalam sistem kekebalan tubuh. Berdasarkan diagnosis ini, ahli fisiologi merekomendasikan transplantasi sumsum tulang pada Juni 2010. Pada pertengahan Juni, anak itu sudah bisa makan untuk pertama kalinya dalam hidupnya.

Kasus lain dikaitkan dengan atipikal kanker pada seorang wanita berusia 39 tahun yang menderita bentuk akut leukemia promielositik. Pada metode standar diagnosis, bagaimanapun, penyakit itu tidak diidentifikasi. Tetapi ketika menguraikan dan menganalisis genom sel kanker, ternyata sebagian besar kromosom ke-15 pindah ke kromosom ke-17, yang menyebabkan interaksi gen tertentu. Akibatnya, wanita itu menerima perawatan yang dia butuhkan.

Catatan

Lihat juga

Tautan

• Tishchenko P.D. Genomics: jenis sains baru dalam situasi budaya baru.
• Genom Mikroba Lengkap (genom bakteri dan archaea yang telah diterjemahkan sepenuhnya).

genomik
Proyek Genom Paleopoliploidi Glikomik Proyek Genom Manusia Proteomik Metabolomik Kemogenomik Genomik Struktural Farmakogenetik Farmakogenomik Toksikogenomik Genomik Komputasi Bioinformatika Sistem Kemoinformatika Biologi

Yayasan Wikimedia. 2010 .

Sinonim:

Lihat apa itu "Genomics" di kamus lain:

genomik- * genomik * genomik adalah arah baru genetika, ilmu genom, termasuk studi tentang struktur, fungsi, dan evolusinya pada molekul, kromosom, biokimia, tingkat fisiologis. Salah satu tugas struktur G. adalah ... ... Genetika. kamus ensiklopedis

Ada., jumlah sinonim: 1 genetika (11) kamus sinonim ASIS. V.N. Trishin. 2013 ... Kamus sinonim

genomik- Ilmu yang mempelajari semua gen dan perannya dalam struktur tubuh, seperti pada kondisi normal, dan dalam kasus penyakit Subyek bioteknologi EN genomik ... Buku Pegangan Penerjemah Teknis

genomik- membaca genom, khususnya, seseorang, dan kegiatan ilmiah dan teknis terkait: Jelas bahwa lebih mudah untuk menemukan impunitas untuk membedakan arah dalam teknobiologi, karena menyerukan plagiarisme dan bahkan perbaikan ... .. . Dunia Lem - kamus dan panduan

genomik- Genomics Genomics Ilmu yang mempelajari seluruh rangkaian gen yang menyusun suatu organisme ... Kamus Nanoteknologi Inggris-Rusia Penjelasan. - M.

genomik- genomika statusas T sritis augalininkystė apibrėžtis Nauja genetikos kryptis, kuri apima genomo individualių genų molekuler lygyje, geno sandaros, jo raiškos, aktyvumo reguliavimo mechanizmo ir genų panaudojimo genų inžinerijos… tikslams… emės kio augalų selekcijos ir sėklininkysts terminų odynas

Cabang genetika yang mempelajari struktur dan fungsi penguraian genom. organisme dengan bantuan biol., fisik. kimia dan metode komputer … Ilmu pengetahuan Alam. kamus ensiklopedis

genomik- omics gen, dan... kamus ejaan bahasa Rusia

genomik- bagian genetika, yang subjeknya adalah studi tentang prinsip-prinsip membangun genom dan strukturnya organisasi fungsional … Kamus Psikogenetika

Berusaha menggambarkan struktur tiga dimensi dari setiap protein yang dikodekan oleh genom tertentu. Kombinasi pendekatan eksperimental dan pemodelan digunakan. Perbedaan mendasar antara genomik struktural dan struktural tradisional ... ... Wikipedia

Buku

• Genetika klinis. Genomik dan proteomik patologi herediter. tutorial. Vulture UMO tentang pendidikan universitas klasik, Mutovin Gennady Romanovich. Buku ini membahas ketentuan dan konsep utama genetika klinis, dengan mempertimbangkan hasil program ilmiah internasional `Human Genome` (1988-2005). Sejarah, ketentuan,…

Pada akhir abad ke-20, teknologi molekuler berkembang begitu intensif sehingga prasyarat diciptakan untuk studi sistematis struktur genom. jenis yang berbeda makhluk hidup, termasuk manusia. Salah satu tujuan paling signifikan dari proyek ini adalah untuk menentukan urutan nukleotida lengkap dari DNA genom. Dengan demikian, sebuah ilmu baru lahir - genomik.

Awal milenium baru ditandai dengan penemuan terbesar di bidang genomik - struktur genom manusia diuraikan. Berita tersebut ternyata begitu signifikan sehingga menjadi bahan perbincangan antara presiden negara-negara terkemuka dunia. Namun, banyak orang tidak terkesan dengan pesan ini. Pertama-tama, ini karena kurangnya pemahaman tentang apa itu genom, apa strukturnya dan apa arti penguraiannya? Apakah berita ini ada hubungannya dengan obat-obatan dan dapat mempengaruhi kita masing-masing? Apa itu kedokteran molekuler dan apakah perkembangannya terkait dengan penguraian struktur genom? Selain itu, beberapa orang memiliki ketakutan bahwa lagi penemuan baru ilmuwan untuk kemanusiaan? Apakah data ini akan digunakan untuk tujuan militer? Apakah ini akan diikuti oleh pemeriksaan genetik wajib umum - semacam pasporisasi genetik populasi? Akankah genom kita menjadi subjek analisis dan seberapa rahasia informasi yang diperoleh? Semua masalah ini saat ini sedang aktif dibahas dalam komunitas ilmiah.

Tentu saja, genomik tidak dimulai dengan manusia, tetapi dengan makhluk hidup yang jauh lebih sederhana. Saat ini, urutan nukleotida DNA genom dari ratusan spesies mikroorganisme telah diuraikan, sebagian besar bersifat patogen. Untuk prokariota, kelengkapan analisis ternyata mutlak, yaitu, tidak ada satu pun nukleotida yang tetap tidak diuraikan! Akibatnya, tidak hanya semua gen mikroorganisme ini yang diidentifikasi, tetapi juga urutan asam amino dari protein yang dikodekan oleh mereka ditentukan. Kami telah berulang kali mencatat bahwa pengetahuan tentang urutan asam amino protein memungkinkan untuk memprediksi struktur dan fungsinya dengan cukup akurat. Ini membuka kemungkinan untuk memperoleh antibodi terhadap protein prediktif ini, isolasinya dari mikroorganisme dan analisis biokimia langsung. Mari kita pikirkan apa artinya ini bagi pengembangan metode baru yang mendasar untuk memerangi infeksi, jika dokter tidak hanya tahu bagaimana gen mikroorganisme yang menginfeksi diatur, tetapi juga apa struktur dan fungsi semua proteinnya? Mikrobiologi sekarang mengalami perubahan luar biasa karena munculnya sejumlah besar pengetahuan baru, yang signifikansinya saat ini tidak sepenuhnya kita pahami. Mungkin akan memakan waktu puluhan tahun untuk menyesuaikan ini informasi baru untuk kebutuhan umat manusia, terutama di bidang kedokteran dan pertanian.

Transisi dari prokariota ke eukariota dalam hal menguraikan struktur genom disertai dengan kesulitan besar, dan bukan hanya karena panjang DNA yang lebih tinggi ribuan, dan kadang-kadang ratusan ribu kali lebih lama, tetapi strukturnya menjadi lebih kompleks. Ingatlah bahwa sejumlah besar DNA non-coding muncul dalam genom hewan tingkat tinggi, sebagian besar di antaranya adalah sekuens berulang. Mereka memperkenalkan kebingungan yang signifikan ke dalam docking yang benar dari fragmen DNA yang sudah diuraikan. Dan, selain itu, pengulangan tandem itu sendiri sulit untuk diuraikan. Di bidang lokalisasi pengulangan seperti itu, DNA dapat memiliki konfigurasi yang tidak biasa, yang membuat analisisnya menjadi sulit. Oleh karena itu, dalam genom salah satu jenis cacing gelang mikroskopis (nematoda) - organisme multiseluler pertama yang memungkinkan untuk menentukan urutan nukleotida DNA - sejumlah tempat yang tidak jelas sudah tetap ada. Benar, mereka berat jenis kurang dari seperseratus persen dari total panjang DNA, dan ambiguitas ini tidak menyangkut gen atau elemen pengatur. Urutan nukleotida dari semua 19.099 gen cacing ini, didistribusikan di area seluas 97 juta pasangan basa, sepenuhnya ditentukan. Oleh karena itu, pekerjaan menguraikan genom nematoda harus diakui sebagai sangat sukses.

Keberhasilan yang lebih besar dikaitkan dengan penguraian genom Drosophila, yang hanya 2 kali lebih kecil dari DNA manusia dan 20 kali lebih besar dari DNA nematoda. Meskipun tingkat pengetahuan genetik Drosophila tinggi, sekitar 10% gennya tidak diketahui sampai saat itu. Tetapi yang paling paradoks adalah kenyataan bahwa Drosophila, yang jauh lebih terorganisir daripada nematoda, memiliki lebih sedikit gen daripada cacing gelang mikroskopis! Sulit untuk dijelaskan dari posisi biologis modern. Lebih banyak gen daripada di Drosophila juga hadir dalam genom yang diterjemahkan dari tanaman dari keluarga silangan - Arabidopsis, banyak digunakan oleh ahli genetika sebagai objek eksperimental klasik.

Pengembangan proyek genomik disertai dengan pengembangan intensif banyak bidang ilmu pengetahuan dan teknologi. Jadi, dorongan kuat untuk perkembangannya diterima bioinformatika. Perangkat matematika baru diciptakan untuk menyimpan dan memproses sejumlah besar informasi; sistem superkomputer dengan kekuatan yang belum pernah ada sebelumnya telah dirancang; Ribuan program telah ditulis yang memungkinkan dalam hitungan menit untuk melakukan analisis komparatif dari berbagai blok informasi, setiap hari masuk ke database komputer, data baru yang diperoleh di berbagai laboratorium di seluruh dunia, dan menyesuaikan informasi baru dengan apa yang telah dikumpulkan. lebih awal. Pada saat yang sama, sistem dikembangkan untuk isolasi yang efisien dari berbagai elemen genom dan pengurutan otomatis, yaitu penentuan urutan nukleotida DNA. Atas dasar ini, robot yang kuat telah dirancang yang secara signifikan mempercepat pengurutan dan membuatnya lebih murah.

Perkembangan genomik, pada gilirannya, telah mengarah pada penemuan sejumlah besar fakta baru. Pentingnya banyak dari mereka belum dinilai di masa depan. Tetapi bahkan sekarang jelas bahwa penemuan-penemuan ini akan mengarah pada pemikiran ulang banyak orang posisi teoritis tentang asal usul dan evolusi berbagai bentuk kehidupan di bumi. Mereka akan membantu Anda lebih memahami mekanisme molekuler mendasari kerja sel individu dan interaksinya; penguraian rinci dari banyak siklus biokimia yang sampai sekarang tidak diketahui; analisis hubungannya dengan fundamental proses fisiologis. Jadi, ada transisi dari genomik struktural ke fungsional, yang pada gilirannya menciptakan prasyarat untuk penelitian basa molekul fungsi sel dan organisme secara keseluruhan. Informasi yang sudah terakumulasi akan menjadi bahan analisis selama beberapa dekade mendatang. Tetapi setiap langkah selanjutnya untuk menguraikan struktur genom spesies yang berbeda memunculkan teknologi baru yang memfasilitasi proses memperoleh informasi. Dengan demikian, penggunaan data tentang struktur dan fungsi gen dari spesies makhluk hidup yang terorganisir lebih rendah dapat secara signifikan mempercepat pencarian gen spesifik dari spesies yang lebih tinggi. Dan bahkan sekarang, metode analisis komputer yang digunakan untuk mengidentifikasi gen baru sering menggantikan yang agak melelahkan metode molekuler mencari gen.

Konsekuensi paling penting dari menguraikan struktur genom jenis tertentu adalah kemungkinan untuk mengidentifikasi semua gennya dan, karenanya, mengidentifikasi dan menentukan sifat molekuler dari molekul RNA yang ditranskripsi dan semua proteinnya. Dengan analogi dengan genom, konsep lahir transkriptom, yang menyatukan kumpulan molekul RNA yang terbentuk sebagai hasil transkripsi, dan proteom, yang mencakup banyak protein yang dikodekan oleh gen. Dengan demikian, genomik menciptakan dasar untuk pengembangan intensif ilmu-ilmu baru - proteomik dan transkriptomik. Proteomik berkaitan dengan studi tentang struktur dan fungsi setiap protein; analisis komposisi protein sel; penentuan dasar molekuler fungsi sel tunggal, yang merupakan hasil kerja terkoordinasi dari ratusan protein, dan studi tentang pembentukan sifat fenotipik suatu organisme, yang merupakan hasil kerja terkoordinasi dari miliaran sel. Proses biologis yang sangat penting juga terjadi pada tingkat RNA. Analisis mereka adalah subjek transkriptomik.

Upaya terbesar para ilmuwan di banyak negara di dunia yang bekerja di bidang genomik telah diarahkan untuk memecahkan proyek internasional"Gen manusia". Kemajuan yang signifikan di bidang ini terkait dengan penerapan ide yang diajukan oleh J.S. Venter, untuk mencari dan menganalisis urutan DNA yang diekspresikan, yang nantinya dapat digunakan sebagai semacam "label" atau penanda untuk bagian tertentu dari genom. Pendekatan lain yang independen dan tidak kalah bermanfaat diambil oleh karya kelompok yang dipimpin oleh Fr. Collins. Ini didasarkan pada identifikasi utama gen untuk penyakit keturunan manusia.

Menguraikan struktur genom manusia menyebabkan penemuan sensasional. Ternyata genom manusia hanya mengandung 32.000 gen, yang beberapa kali lebih sedikit dari jumlah protein. Pada saat yang sama, hanya ada 24.000 gen penyandi protein; produk dari gen yang tersisa adalah molekul RNA. Persentase kesamaan urutan nukleotida DNA antara individu, kelompok etnis dan ras yang berbeda adalah 99,9%. Kesamaan inilah yang membuat kita menjadi manusia - Homo sapiens! Semua variabilitas kami pada tingkat nukleotida cocok dengan angka yang sangat sederhana - 0,1%. Dengan demikian, genetika tidak memberikan ruang bagi gagasan superioritas nasional atau ras.

Tapi, lihatlah satu sama lain - kita semua berbeda. Nasional, dan terlebih lagi, perbedaan ras bahkan lebih terlihat. Jadi berapa banyak mutasi yang menentukan variabilitas seseorang bukan dalam persentase, tetapi secara absolut? Untuk mendapatkan perkiraan ini, Anda perlu mengingat ukuran genomnya. Panjang molekul DNA manusia adalah 3,2 x 10 9 pasangan basa. 0,1% dari ini adalah 3,2 juta nukleotida. Tetapi ingat bahwa bagian pengkodean genom menempati kurang dari 3% dari total panjang molekul DNA, dan mutasi di luar wilayah ini, paling sering, tidak berpengaruh pada variabilitas fenotipik. Jadi, untuk mendapatkan perkiraan integral dari jumlah mutasi yang memengaruhi fenotipe, Anda perlu mengambil 3% dari 3,2 juta nukleotida, yang akan memberi kita angka orde 100.000. Artinya, sekitar 100 ribu mutasi membentuk fenotipik kita. variabilitas. Jika kita membandingkan angka ini dengan jumlah total gen, ternyata rata-rata ada 3-4 mutasi per gen.

Apa saja mutasi tersebut? Sebagian besar mereka (setidaknya 70%) menentukan variabilitas non-patologis individu kita, yang membedakan kita, tetapi tidak membuat kita lebih buruk dalam hubungan satu sama lain. Ini termasuk fitur seperti mata, rambut, warna kulit, tipe tubuh, tinggi badan, berat badan, jenis perilaku, yang juga sebagian besar ditentukan secara genetik, dan banyak lagi. Sekitar 5% mutasi dikaitkan dengan penyakit monogenik. Sekitar seperempat dari mutasi yang tersisa termasuk dalam kelas polimorfisme fungsional. Mereka terlibat dalam pembentukan kecenderungan turun-temurun terhadap patologi multifaktorial yang tersebar luas. Tentu saja, perkiraan ini agak kasar, tetapi memungkinkan untuk menilai struktur variabilitas herediter manusia.



Ini adalah bagian 1 dari sejarah genomik, yang disebut "Proyek Genomik". Pada bagian ini, saya akan mencoba berbicara secara populer tentang bagaimana metode pertama membaca urutan genetik muncul, terdiri dari apa, dan bagaimana genomik berpindah dari membaca gen individu ke membaca genom lengkap, termasuk genom lengkap. orang spesifik.

Segera setelah penemuan Watson dan Crick (Gbr. 1), ilmu genomik lahir. Genomics adalah ilmu yang mempelajari genom organisme, yang melibatkan pembacaan intensif sekuens DNA lengkap (sequencing) dan pemetaannya ke dalam peta genetik. Ilmu ini juga mempertimbangkan interaksi antara gen dan alel gen dan keragamannya, pola dalam evolusi dan struktur genom. Perkembangan area ini begitu pesat sehingga, baru-baru ini, editor teks seperti Microsoft Word tidak tahu kata "genom" dan mencoba mengoreksinya menjadi kata "kerdil".

Beras. satuJames Watson (kiri) dan Francis Crick (kanan) - ilmuwan yang menemukan heliks ganda DNA

Pembacaan gen pertama adalah gen cangkang bakteriofag MS2, dipelajari di laboratorium Walter Fyers pada tahun 1972. Pada tahun 1976, gen bakteriofag lain juga dikenal - replikanya, gen yang bertanggung jawab untuk reproduksi partikel virus. Molekul RNA pendek sudah relatif mudah dibaca, tetapi molekul DNA besar belum bisa membaca dengan baik. Misalnya, urutan 24 huruf dari urutan gen operon laktosa yang diperoleh pada tahun 1973 oleh Walter Gilbert dan Allen Maxam dianggap sebagai terobosan signifikan dalam sains. Berikut urutannya:

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

Teknik pembacaan DNA pertama sangat tidak efisien dan menggunakan label radioaktif untuk DNA dan metode kimia untuk membedakan antara nukleotida. Misalnya, seseorang dapat mengambil enzim yang memotong urutan nukleotida dengan probabilitas yang berbeda setelah huruf yang berbeda. Molekul DNA terdiri dari 4 huruf (nukleotida) A, T, G dan C, yang merupakan bagian dari anti paralel ganda (dua untai diarahkan ke sisi yang berlawanan) spiral. Di dalam heliks ini, nukleotida berlawanan satu sama lain sesuai dengan aturan komplementaritas: berlawanan A dalam rantai lainnya adalah T, berlawanan G adalah C dan sebaliknya.

Gilbert dan Maxam menggunakan 4 jenis enzim. Satu potong setelah A atau G, tetapi lebih baik setelah A (A>G), potongan kedua lebih baik setelah G (G>A), yang ketiga setelah C, dan yang keempat setelah C atau T (C+T). Reaksi dilakukan dalam 4 tabung reaksi dengan masing-masing jenis enzim, kemudian produk ditempatkan pada gel. DNA adalah molekul bermuatan dan ketika arus dihidupkan itu berjalan dari minus ke plus. Molekul yang lebih kecil berjalan lebih cepat, sehingga molekul DNA yang dipotong berbaris panjang. Melihat 4 jalur gel, orang bisa tahu di urutan apa nukleotida berada.

Sebuah terobosan di bidang sekuensing DNA datang ketika ahli biokimia Inggris Frederick Sanger pada tahun 1975 mengusulkan apa yang disebut "metode terminasi untai" untuk membaca sekuens DNA. Tetapi sebelum berbicara tentang metode ini, perlu untuk memperkenalkan proses yang terjadi selama sintesis molekul DNA baru. Untuk sintesis DNA, diperlukan enzim - DNA-dependent DNA polymerase, yang mampu menyelesaikan konstruksi molekul DNA untai tunggal menjadi untai ganda. Untuk melakukan ini, enzim membutuhkan "benih" - primer, urutan DNA pendek yang dapat mengikat molekul beruntai tunggal panjang, yang ingin kita bangun menjadi molekul beruntai ganda. Nukleotida itu sendiri juga dibutuhkan dalam bentuk nukleotida trifosfat dan kondisi tertentu, seperti kandungan ion magnesium tertentu dalam medium dan suhu tertentu. Sintesis selalu berjalan satu arah dari ujung yang disebut 5' ke ujung yang disebut 3'. Tentu saja, untuk membaca DNA, Anda memerlukan sejumlah besar matriks - yaitu, salinan DNA yang akan dibaca.

Pada tahun 1975, Sanger datang dengan yang berikut. Dia mengambil nukleotida khusus (pengakhiran), yang, setelah bergabung dengan rantai molekul DNA yang sedang tumbuh, mengganggu perlekatan nukleotida berikutnya, yaitu, mereka "memecah" rantai. Kemudian dia mengambil 4 tabung reaksi, yang masing-masing dia menambahkan 4 jenis nukleotida dan satu jenis nukleotida terminasi dalam jumlah kecil. Jadi, dalam tabung reaksi di mana nukleotida pengakhiran "A" berada, sintesis setiap molekul DNA baru dapat terputus di tempat di mana "A" seharusnya berdiri, dalam tabung reaksi dengan pengakhiran "G" - di mana saja G harus berdiri, dan seterusnya. 4 jalur dari 4 tabung diterapkan pada gel (Gbr. 2) dan sekali lagi molekul terpendek "berlari" ke depan, dan yang terpanjang tetap di awal, dan dengan perbedaan pita dimungkinkan untuk membedakan nukleotida mana yang mengikuti. Untuk melihat pita, salah satu dari empat nukleotida (A, T, G, atau C) diberi label, tanpa mengubah sifat kimianya, menggunakan isotop radioaktif.

Beras. 2Metode Sanger. Tiga seri dari 4 trek ditampilkan.

Dengan menggunakan metode ini, genom berbasis DNA pertama dibaca, genom bakteriofag X174, panjang 5,386 nukleotida (genom fag MS2 yang dibaca sebelumnya berbasis RNA dan memiliki genom 3,569 nukleotida).

Metode Sanger ditingkatkan secara signifikan di laboratorium Leroy Hood, di mana pada tahun 1985 label radioaktif diganti dengan label bercahaya dan berpendar. Ini memungkinkan untuk membuat sequencer otomatis pertama: setiap molekul DNA sekarang diwarnai warna berbeda tergantung pada apa huruf terakhirnya (nukleotida berlabel warna yang mengakhiri rantai). Fragmen dipisahkan berdasarkan ukuran pada gel, dan mesin secara otomatis membaca spektrum pendaran pita yang masuk, mengeluarkan hasilnya ke komputer. Sebagai hasil dari prosedur ini, diperoleh kromatogram (Gbr. 2), yang dengannya mudah untuk membuat urutan DNA hingga 1000 huruf, dengan jumlah kesalahan yang sangat kecil.

Beras. 3 Contoh kromatogram, pada pengurutan modern, menggunakan metode pemutusan rantai Sanger dan label bercahaya.

Selama bertahun-tahun, metode Sanger yang ditingkatkan akan menjadi metode utama pengurutan genom massal dan akan digunakan untuk banyak proyek genom utuh, dan Sanger pada tahun 1980 akan menerima yang kedua Penghargaan Nobel dalam kimia (ia menerima yang pertama pada tahun 1958 untuk membaca urutan asam amino dari protein insulin - protein pertama yang dibaca). Genom lengkap pertama organisme seluler menjadi genom bakteri yang menyebabkan beberapa bentuk pneumonia dan meningitis - Haemophilus influenzae pada tahun 1995. Genom bakteri ini panjangnya 1.830.137 nukleotida. Pada tahun 1998, genom pertama dari hewan multiseluler, cacing gelang, muncul Caenorhabditis elegans(Gbr. 4 di sebelah kanan), dengan 98 juta nukleotida, dan kemudian pada tahun 2000 genom tanaman pertama muncul - Arabidopsis thaliana(Gbr. 4 di sebelah kiri), kerabat lobak dan mustard. Genom tanaman ini panjangnya 157 juta nukleotida. Kecepatan dan skala sekuensing tumbuh pada tingkat yang mencengangkan, dan basis data sekuens nukleotida yang muncul diisi ulang lebih cepat dan lebih cepat.

Beras. empat Arabidopsis thaliana(kiri) dan Caenorhabditis elegans(di kanan).

Akhirnya, giliran genom mamalia: genom tikus dan manusia. Ketika, pada tahun 1990, James Watson memimpin seluruh proyek pembacaan genom manusia di National Institutes of Health (NIH) di AS, banyak ilmuwan yang skeptis terhadap gagasan tersebut. Proyek semacam itu membutuhkan investasi uang dan waktu yang sangat besar dan, mengingat kesempatan terbatas mesin yang ada untuk membaca genom, tampaknya banyak yang tidak layak. Di sisi lain, proyek tersebut menjanjikan perubahan revolusioner dalam pengobatan dan pemahaman perangkat. tubuh manusia tapi ada masalah di sini juga. Faktanya adalah bahwa pada saat itu tidak ada perkiraan pasti tentang jumlah gen dalam diri seseorang. Banyak yang percaya bahwa kerumitan struktur tubuh manusia menunjukkan adanya ratusan ribu gen, dan mungkin beberapa juta, dan, oleh karena itu, memilah sejumlah gen, bahkan jika urutannya dapat dibaca, akan menjadi tugas yang mustahil. Di hadapan sejumlah besar gen, banyak yang menganggap perbedaan mendasar antara manusia dan hewan lain - pandangan yang kemudian dibantah oleh proyek genom manusia.

Gagasan membaca genom manusia lahir pada tahun 1986 atas inisiatif Departemen Energi AS, yang kemudian mendanai proyek tersebut bersama dengan NIH. Biaya proyek diperkirakan mencapai 3 miliar dolar, dan proyek itu sendiri dirancang selama 15 tahun dengan partisipasi sejumlah negara dalam proyek: Cina, Jerman, Prancis, Inggris Raya, dan Jepang. Untuk membaca genom manusia, apa yang disebut "kromosom bakteri buatan" (BAC - kromosom buatan bakteri) digunakan. Dalam pendekatan ini, genom dipotong menjadi beberapa bagian, panjangnya sekitar 150.000 ribu nukleotida. Fragmen ini dimasukkan ke dalam cincin kromosom buatan yang dimasukkan ke dalam bakteri. Dengan bantuan bakteri, kromosom ini berkembang biak, dan para ilmuwan mendapatkan banyak salinan dari fragmen yang sama dari molekul DNA. Setiap fragmen tersebut kemudian dibaca secara terpisah, dan potongan baca dari 150.000 nukleotida diplot pada peta kromosom. Metode ini memungkinkan pengurutan genom yang cukup akurat, tetapi sangat memakan waktu.

Tetapi proyek genom manusia bergerak sangat perlahan-lahan. Ilmuwan Craig Venter dan perusahaannya Celera Genomics, didirikan pada tahun 1998, telah memainkan peran yang hampir sama dalam sejarah genomik sebagai Uni Soviet mempengaruhi penerbangan Amerika ke bulan. Venter mengatakan perusahaannya akan menyelesaikan proyek genom manusia sebelum proyek pemerintah selesai. Proyek ini hanya akan membutuhkan $300 juta, sebagian kecil dari biaya proyek pemerintah, dengan menggunakan teknologi baru sekuensing "seluruh genom senapan" - membaca fragmen pendek acak dari genom. Ketika Francis Collins, yang menggantikan James Watson sebagai kepala Proyek Membaca Genom Manusia pada tahun 1993, mengetahui niat Venter, dia terkejut. “ Kami akan membuat genom manusia, dan Anda dapat membuat tikus Venter menyarankan. Komunitas sains Saya senang, dan ada beberapa alasan untuk itu. Pertama, Venter berjanji untuk menyelesaikan proyeknya pada tahun 2001, selama 4 tahun lebih cepat dari jadwal direncanakan untuk proyek negara. Kedua, Celera Genomics akan memanfaatkan proyek tersebut dengan membuat database absolut yang akan dibayar oleh perusahaan farmasi komersial.

Pada tahun 2000, Celera membuktikan keefektifan metode pengurutannya dengan menerbitkan genom lalat buah Drosophila, bersama dengan laboratorium ahli genetika Gerald Rubin (sebelumnya, seluruh genom shotgun digunakan untuk membaca genom pertama bakteri, tetapi hanya sedikit yang percaya bahwa metode ini cocok untuk genom besar). Tendangan dari perusahaan komersial inilah yang mendorong pengembangan peningkatan dan penggunaan lebih banyak metode modern membaca genom di Proyek Genom Manusia. Pada tahun 2001, versi awal genom diterbitkan oleh State Genomic Project dan Celera. Kemudian selesai perkiraan awal jumlah gen dalam genom manusia, 30-40 ribu. Pada tahun 2004, versi final genom keluar, hampir dua tahun lebih cepat dari jadwal. Pada artikel terakhir, dikatakan bahwa jumlah gen pada seseorang seharusnya hanya 20-25 ribu. Jumlah ini sebanding dengan hewan lain, khususnya dengan cacing C.elegan.

Hampir tidak ada yang menduga bahwa jumlah gen yang memastikan kerja tubuh kita bisa begitu kecil. Kemudian, rincian lain diketahui: genom manusia memiliki panjang sekitar tiga miliar nukleotida, paling Genom terdiri dari urutan non-coding, termasuk semua jenis pengulangan. Hanya sebagian kecil dari genom yang benar-benar mengandung gen - bagian DNA dari mana molekul RNA fungsional dibaca. Fakta yang menarik bahwa ketika pengetahuan tentang genom manusia meningkat, jumlah gen yang diduga hanya berkurang: banyak gen potensial ternyata adalah pseudogen (gen yang tidak berfungsi), dalam kasus lain, beberapa gen ternyata menjadi bagian dari gen yang sama.

Tingkat pengurutan lebih lanjut meningkat secara eksponensial. Pada tahun 2005, genom Simpanse diterbitkan, yang mengkonfirmasi kesamaan yang menakjubkan antara monyet dan manusia, yang dilihat oleh ahli zoologi di masa lalu. Pada tahun 2008, genom 32 vertebrata telah dibaca sepenuhnya, termasuk kucing, anjing, kuda, kera, orangutan dan gajah, 3 genom deuterostome invertebrata, 15 genom serangga, 7 genom cacing, dan ratusan genom bakteri.

Akhirnya, pada tahun 2007, umat manusia mendekati kemungkinan pengurutan genom orang-orang secara individu. Orang pertama yang membaca lengkap genom individu, adalah Craig Venter (Gbr. 4). Pada saat yang sama, genom dibaca sedemikian rupa sehingga memungkinkan untuk membandingkan kromosom Venter, yang diwarisi dari kedua orang tuanya. Dengan demikian, ditemukan bahwa antara satu dan set kromosom lainnya dalam satu orang terdapat sekitar tiga juta perbedaan nukleotida satu huruf, tidak termasuk sejumlah besar daerah yang bervariasi. Setahun kemudian, genom diploid lengkap James Watson diterbitkan (Gbr. 5). Genom Watson berisi 3,3 juta substitusi satu huruf dibandingkan dengan genom manusia beranotasi, yang lebih dari 10.000 mengakibatkan perubahan protein yang mengkode gennya. Genom Watson berharga $ 1 juta, yaitu, harga membaca genom telah turun lebih dari 3.000 kali dalam 10 tahun, tetapi ini bukan batasnya. Saat ini, para ilmuwan dihadapkan dengan tugas '1 genom - $1.000 - 1 hari', dan tampaknya tidak lagi mustahil dengan munculnya teknologi pengurutan baru. Bagian selanjutnya dari "cerita" akan menceritakan tentang mereka.

Beras. 5 James Watson dan Craig Venter adalah manusia pertama yang secara individual membaca genom.

1. Watson J, Crick F: Struktur untuk Asam Nukleat Deoksiribosa. Alam 1953(171):737-738.
2. Min Jou W, Haegeman G, Ysebaert M, Fiers W: Urutan nukleotida pengkodean gen Untuk protein selubung bakteriofag MS2. Alam 1972, 237(5350):82-88.
3. Fiers W, Contreras R, Duerinck F, Haegeman G, Iserentant D, Merregaert J, Min Jou W, Molemans F, Raeymaekers A, Van den Berghe A dkk: Urutan nukleotida lengkap bakteriofag MS2 RNA: struktur primer dan sekunder dari replika gen. Alam 1976, 260(5551):500-507.
   
4. Gilbert W, Maxam A. Urutan nukleotida dari operator lac. Proc Natl Acad Sci USA 1973, 70(12):3581-3584.
   
5. Maxam AM, Gilbert W. Metode baru untuk pengurutan DNA. Proc Natl Acad Sci USA 1977, 74(2):560-564.
   
6. Sanger F, Nicklen S, Coulson AR. Pengurutan DNA dengan penghambat pemutus rantai. Proc Natl Acad Sci USA 1977, 74(12):5463-5467.
   
7. Smith LM, Sanders JZ, Kaiser RJ, Hughes P, Dodd C, Connell CR, Heiner C, Kent SB, Hood LE: Deteksi fluoresensi dalam analisis urutan DNA otomatis. Alam 1986, 321(6071):674-679.
   
8. Fleischmann RD, Adams MD, White O, Clayton RA, Kirkness EF, Kerlavage AR, Bult CJ, Tomb JF, Dougherty BA, Merrick JM dkk: Urutan acak seluruh genom dan perakitan Haemophilus influenzae Rd. Sains 1995, 269(5223):496-512.
   
9. Urutan genom dari nematoda C. elegans: platform untuk menyelidiki biologi. Sains 1998, 282(5396):2012-2018.
   
10. Analisis urutan genom tanaman berbunga Arabidopsis thaliana. Alam 2000, 408 (6814): 796-815.
    
11. Adams MD, Celniker SE, Holt RA, Evans CA, Gocayne JD, Amanatides PG, Scherer SE, Li PW, Hoskins RA, Galle RF dkk: Urutan genom Drosophila melanogaster. Sains 2000, 287(5461):2185-2195.
    
12. Venter JC, Adams MD, Myers EW, Li PW, Mural RJ, Sutton GG, Smith HO, Yandell M, Evans CA, Holt RA et al: Urutan genom manusia. Sains 2001, 291(5507):1304-1351.
    
13. Lander ES, Linton LM, Birren B, Nusbaum C, Zody MC, Baldwin J, Devon K, Dewar K, Doyle M, FitzHugh W et al: Urutan awal dan analisis genom manusia. Alam 2001, 409(6822):860-921.
    
14. Menyelesaikan urutan eukromatik genom manusia. Alam 2004, 431(7011)::931-945.
    
15. Urutan awal genom simpanse dan perbandingannya dengan genom manusia. Alam 2005, 437 (7055): 69-87.
    
16. Levy S, Sutton G, Ng PC, Feuk L, Halpern AL, Walenz BP, Axelrod N, Huang J, Kirkness EF, Denisov G et al: Urutan genom diploid dari individu manusia. PLoS Biol 2007, 5(10):e254.
17. Wheeler DA, Srinivasan M, Egholm M, Shen Y, Chen L, McGuire A, He W, Chen YJ, Makhijani V, Roth GT et al: Genom lengkap individu dengan sekuensing DNA paralel besar-besaran. Alam 2008, 452(7189):872-876.

Bagian 2 - di sini