AT Ang isang maliit na adeno-associated virus (AAV) ay isinasaalang-alang bilang isang potensyal na vector dahil, hindi katulad ng mga adenovirus, hindi ito nagdudulot ng sakit. Gayunpaman, hindi rin ito nagdadala ng gene. Upang mapabuti ito bilang isang vector, ang mga eksperimento sa pag-iilaw at pagbabago ng kemikal ay isinasagawa. Ang ibang mga laboratoryo ay nag-eeksperimento Mga CFTR retrovirus, dahil natural na ipinapasok ng mga virus na ito ang kanilang genome sa mga host cell.

Gayunpaman, ang tanong ay nananatili kung ang normal na synthesis ng CFTR na protina ay mag-aalis ng mga bacterial na impeksyon sa mga baga, na account para sa 90% ng morbidity at mortality. Mayroong lahat ng dahilan upang umasa na ang genetic engineering ay matagumpay na makayanan ang gawaing ito. Ang isang protina sa mga baga, na ang pag-andar ay upang sirain ang mga dayuhang selula, ay hindi isinaaktibo sa isang pagtaas ng konsentrasyon ng asin (ibig sabihin, ito ang nagpapakilala sa cystic fibrosis); ngunit sa sandaling ang CFTR ay nagsimulang gumawa ng produkto nito, ang konsentrasyon ng asin ay bumababa at ang protina ay naisaaktibo.

AT Ang mga pamamaraan ng gene therapy ay kasalukuyang ginagawa para sa paggamot ng iba pang mga namamana na sakit. Kaya, sa kaso ng mga paglabag sa pag-andar ng mga selula ng dugo, maaari silang ma-convert sa isang medium ng kultura at ipakilala sa

bone marrow ng pasyente, sa kanilang natural na kapaligiran. Walang alinlangan, ang ilan sa mga pag-unlad ay mapuputungan ng tagumpay at magiging karaniwang kasanayang medikal sa mga darating na taon.

Ang lahat ng mga katotohanang ito ay mga halimbawa ng tinatawag na somatic gene therapy, ibig sabihin, ang mga ito ay inilalapat sa katawan (soma) ng pasyente sa pag-asang makakakuha ng sapat na bilang ng mga selula na may kakayahang magsagawa ng mga normal na function. Maaaring gumaling ang pasyente, ngunit ang panganib na maipasa ang mga hindi gustong gene sa mga supling ay nananatili pa rin, dahil ang mga selulang mikrobyo ay hindi nababago sa ganitong paraan. therapy ng germ cell naglalayong baguhin ang buong organismo, kabilang ang mga glandula na gumagawa ng mga sex cell. Ang pinakasimpleng (theoretically) na paraan ay ang pagbabago ng fertilized na itlog sa pamamagitan ng pagpasok ng angkop na transgene dito. Ang ganitong uri ng pamamaraan ay posible na at matagumpay na naisagawa sa mga eksperimentong hayop, tulad ng mga daga. Ngunit maaari ba itong ilapat sa isang tao at, higit sa lahat, sulit ba ito? Ito ay isang seryosong isyu sa etika, at ang ilang mga moralista ay nagtatalo na kung ang somatic gene therapy ay etikal, kung gayon ang paglalaro sa genome ng tao at pagpapalit ng gene set ng ating mga inapo ay hindi katanggap-tanggap, kaya ang mga naturang pamamaraan ay dapat na ipagbawal.

Genomics - ang pag-aaral ng buong genome

Ang mga kamakailang pagsulong sa sequencing at ang pagbuo ng mga teknikal na paraan upang maproseso ang isang malaking bilang ng mga clone sa isang gene library ay nagbigay-daan sa mga siyentipiko na pag-aralan ang buong genome ng isang organismo nang sabay-sabay. Ang kumpletong pagkakasunud-sunod ng maraming mga species ay natukoy na ngayon, kabilang ang karamihan sa mga tinatawag na modelo ng genetic organism tulad ng E. coli, ang roundworm Caenorhabditis elegans;

at, siyempre, ang klasikong bagay ng genetika, ang fruit fly Drosophila melanogaster. Noong 1990s, sa kabila ng maraming kaguluhan at kontrobersya, isang proyekto upang pag-aralan ang genome ng tao (“Human Genome”) ay inilunsad, na pinondohan ng National Institutes of Health. Sa Pebrero

PRESS, 2004. - 448 p: may sakit.

Noong 2001, isang malaking grupo ng mga mananaliksik na pinamumunuan ni J. Craig Venter mula sa pribadong laboratoryo na Celera Genomics ang gumawa ng pahayag tungkol sa paunang pag-decode ng genome ng tao. Ang resulta ng kanilang trabaho ay nai-publish noong Pebrero 16, 2001 sa journal Science.

Ang isa pang bersyon, na isinumite ng isang grupo mula sa International Human Genome Sequencing Consortium, ay inilathala noong Pebrero 13, 2001 sa journal Nature.

Ang pagsilang ng genomics ay maaaring ituring sa kalagitnaan ng ika-20 siglo, nang ang mga geneticist ay nagmapa ng lahat ng chromosome ng mga modelong organismo batay sa dalas ng mga recombinations (tingnan ang Kabanata 8). Gayunpaman, ang mga mapa na ito ay nagpakita lamang ng mga gene kung saan kilala ang mga mutant alleles, at samakatuwid ang mga naturang mapa ay hindi matatawag na kumpleto. Ang kumpletong pagkakasunud-sunod ng DNA ay nagbibigay-daan sa iyo upang mahanap ang lahat ng mga gene sa isang organismo, pati na rin itatag ang pagkakasunud-sunod ng mga base sa pagitan ng mga ito.

Ang genomics ay nahahati sa istruktura at functional. Nilalayon ng structural genomics na malaman kung saan eksakto ang ilang mga gene sa chromosomal DNA. Kinikilala ng mga computer program ang karaniwang simula at dulo ng mga gene, pinipili ang mga sequence na malamang na mga gene. Ang ganitong mga pagkakasunud-sunod ay tinatawag bukas na frame ng pagbabasa(bukas

frame ng pagbabasa, OFR). Ang parehong mga computer program ay maaari ding makilala ang mga tipikal na intron sa mga OFR sequence. Matapos ihiwalay ang mga intron sa potensyal na gene, ginagamit ng computer ang natitirang code upang matukoy ang pagkakasunud-sunod ng mga amino acid sa protina. Pagkatapos ang mga potensyal na protinang ito ay inihahambing sa mga protina na ang mga function ay kilala na at ang mga pagkakasunud-sunod ay naipasok na sa database. Salamat sa ganitong uri ng mga programa, ang tinatawag na evolutionary conservatism: na para sa karamihan ng mga gene sa iba't ibang organismo ay may magkatulad na mga gene. Mula sa pananaw ng ebolusyonaryong pag-unlad, ang pagkakatulad na ito ay nauunawaan: kung ang isang protina ng isang biological na species ay mahusay na inangkop para sa mga pag-andar nito, kung gayon ang gene nito ay ipinadala sa parehong anyo o may maliit na pagbabago sa mga species na nagmula sa una. Ang evolutionary conservatism ay nagbibigay-daan sa pagtukoy ng mga gene na nauugnay sa isang partikular na gene sa ibang mga organismo. Sa pamamagitan ng paghahambing ng nagresultang gene sa mga kilala na, madalas na posible na matukoy ang pag-andar nito, kinakailangang suriin ito sa mga susunod na eksperimento.

Kapag natukoy na ang lahat ng potensyal na gene, magsisimula ang genetic mapping. Ang genetic map ng tao ay medyo nakakalito at motley diagram, dahil ang bawat gene ay minarkahan ng isang tiyak na kulay depende sa function nito, na itinatag kung ihahambing sa iba pang mga kilalang gene. Karamihan sa mga gene ng tao, tulad ng mga gene ng lahat ng eukaryotes sa pangkalahatan, ay may malalaking intron. Ayon sa magaspang na mga pagtatantya, kabilang sa mga nai-publish na pagkakasunud-sunod, humigit-kumulang isang ikatlo o isang quarter ang mga intron. Nakakapagtaka, halos 1.5% lamang ng kabuuang genome ng tao (mga 2.9 x 109 na pares

base) ay naglalaman ng mga sequence (exon) na nagko-code para sa mga protina. Gayundin, ang DNA na ito ay tila naglalaman lamang ng 35,000-45,000 na mga gene, na mas mababa kaysa sa hinulaang. Hindi pa namin naiintindihan kung paano ang isang medyo maliit na bilang ng mga gene na code para sa isang kumplikadong organismo.

Ang dalawang-katlo hanggang tatlong-kapat ng genome ay nasa malawak

Genetics / Barton Guttman, Anthony Griffiths, David Suzuki, Tara Cullis. - M.: PATAS-

PRESS, 2004. - 448 p: may sakit.

Ang bilang ng mga kopya ng paulit-ulit na DNA sa iba't ibang tao ay hindi pareho, kaya magagamit ang mga ito upang maitaguyod ang pagkakakilanlan, kabilang ang sa forensic na gamot.

functional genomics

functional genomics ay ang pag-aaral ng gene function sa antas ng buong genome. Bagama't maaaring makilala ang mga potensyal na gene sa pamamagitan ng kanilang pagkakapareho sa mga gene na gumaganap ng mga kilalang function sa ibang mga organismo, lahat ng hula ay dapat na masuri laban sa organismo na pinag-aaralan. Sa ilang modelong organismo, gaya ng nutritional yeast, posibleng sistematikong patayin ang function ng mga gene. Ang pag-off ng gene ay nangyayari sa pamamagitan ng pagpapalit sa functional form nito ng nabura na form sa isang espesyal na vector. Pagkatapos ay kumuha ng strain na may kapansanan na gene at suriin ang phenotype nito. Sa isang patuloy na programa upang pag-aralan ang nutritional yeast genome, ilang libong mga gene ang isa-isang pinatay.

Ang isa pang paraan ng functional genomics ay ang pag-aaral nila ng mekanismo ng transkripsyon sa antas ng buong genome. Ang pamamaraang ito ay batay sa pag-aakalang karamihan sa mga biological phenomena ay mga kumplikadong proseso na kinasasangkutan ng maraming mga gene. Ang partikular na interes ng mga mananaliksik ay ang mga proseso na nauugnay sa pag-unlad ng organismo, na binanggit namin sa Chap. 11. Kung ang transkripsyon ng mga gene ay pinag-aralan sa ilalim ng iba't ibang mga kondisyon ng paglago, kung gayon ang isa ay makakakuha ng ideya ng kumpletong genetic pathway ng pag-unlad ng isang organismo.

Ngunit paano mapag-aaralan ang transkripsyon sa antas ng genome-wide? Muli, nakakatulong ang mga bagong teknolohiya sa mga siyentipiko dito. Ang DNA ng bawat gene sa genome o ilang bahagi ng genome ay inilalagay sa ibabaw ng maliliit na glass plate na nakaayos sa pagkakasunud-sunod. Pagkatapos ay nalantad sila sa lahat ng uri ng mRNA na matatagpuan sa selula ng organismong ito. Ang DNA sa mga plato ay nakuha sa dalawa

mga paraan. Sa isang paraan, ang lahat ng mRNA ay reverse transcribe upang makabuo ng maikling pantulong na mga molekula ng DNA na naaayon sa isang gene. Sa ibang paraan, ang mga gene (o mga bahagi ng mga gene) ay na-synthesize ng isang base sa isang pagkakataon sa ilang bahagi ng mga plate. Ang synthesis ay isinasagawa ng mga robot na nagbubukas at nagsasara

Genetics / Barton Guttman, Anthony Griffiths, David Suzuki, Tara Cullis. - M.: PATAS-

PRESS, 2004. - 448 p: may sakit.

ibabaw ng salamin sa isang tiyak na pagkakasunud-sunod. Ang mga rekord na may genome ng maraming organismo ay maaaring mabili mula sa mga kumpanya ng kemikal.

Upang pag-aralan ang mekanismo ng transkripsyon, ang lahat ng mRNA ng isang tiyak na yugto ng pag-unlad ay may label na may fluorescent na label at ipinamamahagi sa ibabaw ng mga plato. Ang mga mRNA na ito ay nakakabit sa kani-kanilang DNA at maaaring makilala ng kanilang kumikinang na mga patch. Dahil ang posisyon ng bawat indibidwal na DNA ng gene sa mga plate ay alam nang maaga, tinutukoy ng computer kung aling mga gene ang na-transcribe sa isang partikular na yugto ng pag-unlad.

Kaya, sa tulong ng mga ito at iba pang mga teknolohiya, ang mga geneticist ay nagsisimulang malaman ang mga pangkalahatang modelo ng organisasyon ng buhay mula sa functional at structural side. Upang maproseso ang isang malaking halaga ng impormasyon, lumitaw ang isang espesyal na sangay ng agham - bioinformatics. Nangangako ang mga darating na dekada na magiging panahon ng tunay na magagandang pagtuklas.

Genetics / Barton Guttman, Anthony Griffiths, David Suzuki, Tara Cullis. - M.: PATAS-

PRESS, 2004. - 448 p: may sakit.

Ang mga pag-aaral ng spatial configuration ng DNA sa mga chromosome ay nagsiwalat ng hindi inaasahang, dati nang hindi kilalang mga sanhi ng malubhang sakit ng tao.

Ang paglitaw ng 3D genomics

Sa mga dekada na lumipas mula noong patunay ng genetic function ng DNA noong 1940s, ang ideya na ang sukat ng distansya sa pagitan ng anumang bahagi ng genome ay ang haba ng DNA chain na naghihiwalay sa kanila ay nanatiling hindi nagbabago. Ngayon alam natin na ang kakayahan ng DNA na bumuo ng mga loop at iba pang kumplikadong mga istraktura ay ginagawang posible para sa mga gene at mga elemento ng genome na kumokontrol sa kanilang trabaho (mga enhancer) na maging malapit sa isa't isa sa espasyo ng cell nucleus, kahit na sila ay pinaghihiwalay ng isang pinahabang DNA fragment (Fig. one).

Sa mga nagdaang taon, lumitaw ang mga bagong diskarte na nagpapahintulot sa pag-aaral ng pagtitiklop ng genomic DNA sa cell nucleus. Ito ay minarkahan ang simula ng pag-unlad ng siyentipikong direksyon, na tinatawag nating 3D genomics. Gamit ang mga pamamaraang ito, ipinakita na ang mga kromosom ay nahahati sa mga istruktura at functional na mga bloke - mga topologically associated domain (TADs). Ang mga rehiyon ng genome mula sa isang TAD ay nakikipag-ugnayan sa isa't isa nang mas madalas kaysa sa mga rehiyon mula sa mga kalapit na TAD. Ginagawa nitong posible na kumatawan sa mga TAD bilang medyo siksik na mga coils ng DNA strands. Ang mga resulta ng maraming mga eksperimento ay nagpapakita na ang isang enhancer ay maaari lamang mag-activate ng mga gene na matatagpuan sa loob ng TAD kung saan matatagpuan ang enhancer nito.

Kaya, ang mga TAD ay may mahalagang papel sa pagkontrol sa aktibidad ng gene. Ang pag-alis o pinsala sa segment ng DNA na naghihiwalay sa mga kalapit na TAD ay nagpapahintulot sa enhancer na i-activate ang mga gene na karaniwang hindi gumagana sa ganitong uri ng cell, na maaaring humantong sa mga malubhang sakit tulad ng cancer, mga paglabag sa pagbuo ng mga sekswal na katangian at mga malfunctions sa pagbuo ng embryo (Fig . 2).

Nasaan ang mga hangganan sa pagitan ng mga TAD

Ngunit ano ang nagsisiguro sa paghahati ng genome sa mga TAD? Ang gawain ng aming laboratoryo ay gumawa ng malaking kontribusyon sa solusyon ng problemang ito. Nalaman namin na ang organisasyon ng genomic DNA sa mga TAD ay higit na kusang-loob at pinamamahalaan ng mga simpleng pisikal na batas. Ang aming trabaho ay nai-publish sa isang prestihiyosong internasyonal na journal Pananaliksik sa Genome(Sergey V. Ulianov et al. Ang aktibong chromatin at transkripsyon ay gumaganap ng isang mahalagang papel sa paghahati ng chromosome sa mga topologically associating domain // Pananaliksik sa Genome, 2016, 26, p. 70–84, doi: 10.1101/gr.196006.115), marami siyang pinag-uusapan sa press at sa telebisyon.

Ang kakanyahan ng aming mga resulta ay ang mga hangganan ng mga TAD ay mga genome na rehiyon na naglalaman ng mga "housekeeping" na mga gene, iyon ay, mga gene na gumagana sa lahat ng uri ng cell at kinakailangan upang mapanatili ang mga pangunahing proseso ng cellular. Dahil sa isang bilang ng mga tampok, ang mga naturang rehiyon ng genome ay hindi maaaring tiklop sa mga siksik na globule, sa gayon ay lumilikha ng isang "pagmamarka" ng mga hangganan ng TAD sa genome.

Mahalagang tandaan na, bilang karagdagan sa iba't ibang mga biochemical technique, ginamit namin ang pagmomodelo ng istruktura ng genome sa Lomonosov supercomputer ng Moscow State University, at ang mga resulta ng pagmomodelo na ito ay malinaw na nagpapahiwatig na ang pagtitiklop ng DNA sa mga indibidwal na mga cell ay maaaring mag-iba nang malaki. (Larawan 3).

Mula sa mga populasyon ng cell hanggang sa mga indibidwal na selula

Sa napakaraming kaso, daan-daang libo at kahit milyon-milyong mga cell sa bawat eksperimento ang kailangang gamitin sa molecular biological na pananaliksik. Ito ay dahil sa ang katunayan na mayroong napakakaunting mga pinag-aralan na molekula sa isang cell, at ito ay ginagawang lubhang mahirap na magtrabaho sa kanila.

Halimbawa, ang dami ng genomic DNA sa isang selula ng tao ay halos isang daang libong milyong beses na mas mababa sa isang gramo. Ang pagtatrabaho sa isang malaking bilang ng mga cell ay humahantong sa katotohanan na ang mga resulta na nakuha sa eksperimento, bilang isang panuntunan, ay ginagawang posible upang maitaguyod ang average, pinaka-karaniwang mga halaga ng ilang mga parameter ng cell physiology. Sa isang diwa, ang impormasyong nakuha ay maihahalintulad sa "average na temperatura" ng mga pasyente sa isang ospital.

Ang pagtatrabaho sa isang malaking bilang ng mga cell, bilang panuntunan, ay nagbibigay-daan sa iyo upang itakda ang average, pinaka-karaniwang mga halaga ng ilang mga parameter ng cell physiology, tulad ng "average na temperatura" ng mga pasyente sa isang ospital

Walang alinlangan, ang mga resulta ng mga pag-aaral ng mga populasyon ng cell ay naging posible na magtatag ng maraming mahahalagang regularidad. Gayunpaman, kilalang-kilala na ang mga selula ng parehong uri, na eksaktong magkapareho sa ilalim ng mikroskopyo, ay maaaring magkaiba sa maraming iba't ibang biochemical parameter. Ang mga pag-aaral sa paggana ng genome sa isang solong cell ay nagiging "trend of the times" at nakagawa na ng malaking kontribusyon sa pag-unawa kung paano isinasagawa ang fine tuning ng ating genome. Ang ganitong pananaliksik ay nakakaapekto rin sa pag-unlad ng gamot, dahil, halimbawa, ang mga kaganapan na nagaganap sa isang napakaliit na proporsyon ng mga selula ay maaaring mag-trigger ng pag-unlad ng mga tumor. Kapag nag-aaral ng malalaking populasyon ng cell, madalas na hindi napapansin ang mga ganitong pangyayari.

Sa pakikipagtulungan sa mga kasamahan sa Austrian at Amerikano, nakabuo kami ng bagong pang-eksperimentong diskarte na nagbibigay-daan sa aming pag-aralan ang genome folding sa mga indibidwal na cell. Gamit ang diskarteng ito, nakagawa kami ng makabuluhang mas detalyadong mga mapa ng spatial na organisasyon ng mouse genome kaysa sa nakaraang gawain ng aming mga kasamahan sa Ingles. Isang pagsusuri ng data na nakuha, na inilathala kamakailan sa journal Kalikasan(Ilya M. Flyamer et al. Ang single-nucleus Hi-C ay nagpapakita ng natatanging chromatin reorganization sa oocyte-to-zygote transition // Kalikasan, 544, p. 110–114, doi: 10.1038/nature21711 ), nagbigay ng matibay na katibayan na ang genome folding ay makabuluhang naiiba sa mga indibidwal na selula (Larawan 4). Sa aming opinyon, ito ay nagpapahiwatig na mayroong isang pare-pareho ang pagbilang ng iba't ibang mga genomic na pagsasaayos sa cell, at nagbibigay ito ng posibilidad ng mabilis na pagbagay sa pagbabago ng mga kondisyon sa kapaligiran.

Bagama't sa karamihan ng mga kaso ay mas madaling pag-aralan ang populasyon ng cell kaysa sa mga indibidwal na selula, para sa ilang uri ng mga selula, ang diskarte sa populasyon ay hindi maaaring gamitin sa lahat, dahil ang mga cell na ito ay, gaya ng sinasabi nila, mga piraso ng kalakal. Gamit ang aming pang-eksperimentong diskarte, napag-aralan namin ang pagtitiklop ng mga genome ng paternal at maternal sa mga fertilized mouse egg (zygotes).

Medyo hindi inaasahan para sa ating sarili, nalaman namin na ang pagtitiklop ng genomic DNA sa maternal nucleus sa zygote ay sa panimula ay naiiba sa pagtitiklop ng genome sa nuclei ng anumang iba pang uri ng cell. Sa nuclei ng lahat ng iba pang pinag-aralan na uri ng cell, ang aktibo at "tahimik" na mga rehiyon ng genome ay spatially na nakahiwalay sa isa't isa. Sa maternal nucleus ng zygote, sa kabaligtaran, hindi ito sinusunod. Iminumungkahi ng aming mga resulta na ang pagsasaayos ng genome sa maternal nucleus ay ang pinakapangunahing, na naaayon sa tinatawag na estado ng totipotensi, na ginagawang posible na makakuha ng maraming iba't ibang mga uri ng cell ng isang pang-adultong organismo mula sa isang zygote sa panahon ng pag-unlad ng embryonic.

Ang spatial na pagsasaayos ng genome sa maternal nucleus ay ang pinakapangunahing at nagbibigay-daan sa iyo na makakuha ng maraming iba't ibang uri ng mga selula ng isang pang-adultong organismo mula sa isang fertilized na itlog.

3D genomics at gamot

Kapag tinatalakay ang mga balita sa molecular biology, karaniwang pinag-uusapan ng mga tao ang "genome ng tao", o "genomic DNA ng tao", o simpleng DNA. Ngunit mahalagang tandaan na ang nuclei ng mga selula sa ating katawan ay karaniwang naglalaman ng 23 iba't ibang mga molekula ng DNA, na bawat isa ay bumubuo ng isang hiwalay na kromosoma, at magkasama silang tinatawag na genome.

Ang bawat chromosome ay nakatiklop sa isang tiyak, natatanging paraan para dito at matatagpuan sa cell nucleus sa paraang ang teritoryong inookupahan nito ay halos hindi magkakapatong sa mga teritoryo ng mga kalapit na chromosome. Sa ganitong diwa, ang cell nucleus ay kahawig ng globo, kung saan maraming estado ang sumasakop sa ilang mga teritoryo at pinaghihiwalay ng mga hangganan.

Alam ng kasaysayan ang maraming halimbawa kung paano direktang nakaimpluwensya ang mga kaganapan sa isang estado sa buhay sa mga kalapit na bansa at sa pulitika sa daigdig sa pangkalahatan. Sa cell nucleus, ang sitwasyon ay halos pareho. Anumang pagbabago sa gawain ng genome, ito man ay ang paglulunsad o pagsugpo sa pagpapahayag ng mga indibidwal na gene, o ang paglitaw ng mga karagdagang kopya ng ilang chromosome, ay maaaring makaapekto sa gawain ng mga gene na hindi direktang apektado ng mga pagbabagong ito at matatagpuan sa iba pang mga estado ng chromosome.

Bilang halimbawa, maaari naming ituro ang mga resulta ng gawaing ginawa namin kasama ang aming mga kasamahang Pranses mula sa Gustave Roussy Institute. Ang mga resulta ng gawaing ito ay nai-publish sa prestihiyosong hematology journal Dugo(Jeanne Allinne et al. Perinucleolar relocalization at nucleolin bilang mahahalagang kaganapan sa transcriptional activation ng mga pangunahing gene sa mantle cell lymphoma // Dugo, V. 123, 13, p. 2044–2053 doi:10.1182/dugo-2013-06-510511). Kami ay nakakumbinsi na ipinakita na ang simpleng paggalaw ng isang partikular na gene mula sa isang rehiyon ng nucleus patungo sa isa pa ay maaaring maging sanhi ng pag-activate nito sa mga cell kung saan hindi ito normal na gagana. Ito ay nag-trigger ng isang buong kaskad ng mga proseso na sa huli ay humahantong sa pagbuo ng leukemia, ang mga ugat na sanhi nito ay mahirap maunawaan nang hindi isinasaalang-alang ang spatial na istraktura ng genome.

Ang paglipat lamang ng isang partikular na gene mula sa isang rehiyon ng nucleus patungo sa isa pa ay maaaring magdulot ng isang buong kaskad ng mga proseso na kalaunan ay humahantong sa pagbuo ng leukemia.

Mahalagang tandaan na ang pagtuklas ng isang panimula na bagong mekanismo para sa paglitaw ng leukemia ay lumilikha ng batayan para sa pagbuo ng mga paraan upang labanan ang mga sakit na ito. Kaya, ang mga pag-aaral ng genomic DNA na natitiklop sa nucleus ay interesado hindi lamang para sa pangunahing agham, kundi pati na rin para sa gamot, na nag-aambag sa isang mas malalim na pag-unawa sa mga mekanismo ng iba't ibang mga pathologies.

Ebolusyon ng 3D na organisasyon ng genome

Dahil ang three-dimensional na organisasyon ng genome ay isa sa mga tool para sa pag-regulate ng expression ng gene, dapat itong maging object ng ebolusyon. Sa isang kamakailang gawaing isinagawa sa aming laboratoryo, ang mga resulta nito ay nai-publish sa isang mataas na rating na internasyonal na journal (Anastasia P. Kovina et al. Evolution of the Genome 3D Organization: Comparison of Fused and Segregated Globin Gene Clusters // Molecular Biology at Ebolusyon, v. 34, 6, p. 1492–1504, doi: 10.1093/molbev/msx100), ipinakita namin na ganito talaga ang kaso.

Gamit ang halimbawa ng ebolusyon ng mga vertebrate globin gene clusters, ipinakita namin na, habang umaakyat sila sa evolutionary ladder, nawawala ang mga linear na segment ng chromosome, habang ang mga segment na nakaayos sa mga globules (coils) ay pinananatili (Fig. 5).

Malamang, ito ay dahil sa ang katunayan na sa mga mammal ang papel ng mga remote enhancer sa regulasyon ng aktibidad ng gene ay tumataas nang malaki. Ang pagtatatag ng mga contact sa pagitan ng naturang mga enhancer at ang mga gene na kinokontrol ng mga ito ay sinisiguro ng pagbuo ng mga DNA loop, na humahantong sa pagbuo ng mga globules.

Sa mga vertebrates, habang umaakyat sila sa evolutionary ladder, nawawala ang mga linear na segment ng chromosome, habang ang mga segment na nakaayos sa mga globules (tangles) ay pinapanatili.

Pangwakas na Tala

Sa mga nakalipas na taon, ang domestic science ay madalas at sa maraming mga kaso ay makatuwirang pinupuna dahil sa mababang produktibidad nito at kakulangan ng internasyonal na antas ng trabaho. Sa itaas, ipinakita namin kung paano matagumpay na gumagana ang isang medyo maliit na domestic laboratoryo sa unahan ng agham ng mundo, na sistematikong naglalathala ng mga resulta ng gawain nito sa pinakaprestihiyosong internasyonal na mga journal.

Ang pagpapatupad ng lahat ng mga gawain sa itaas ay naging posible salamat sa isang malaking grant mula sa Russian Science Foundation. Ang halaga ng naturang suporta ay hindi maaaring overestimated, hindi lamang dahil nagbibigay ito ng pagkakataon na magsagawa ng mamahaling trabaho, tulad ng napakalaking DNA sequencing. Ngunit higit sa lahat, ang mga gawad na ito ay nagbibigay ng pagkakataon na maakit ang mga kabataang mananaliksik sa trabaho, na nagbibigay ng makatwirang alternatibo sa pagpunta sa ibang bansa. Hindi bababa sa pang-eksperimentong biology, ang naka-target na suporta para sa mga pangkat na nagtatrabaho sa antas ng mundo (na maaaring hatulan sa pamamagitan ng pagkakaroon ng mga publikasyon sa nangungunang internasyonal na mga journal) ay, sa aming opinyon, ang pinaka-direktang paraan sa muling pagkabuhay ng agham sa ating bansa.

(sa Ingles - genomics) ay isang agham na nag-aaral ng mga genome. Ang dami ng genomic na impormasyon ay tumaas nang husto sa mga nakaraang taon dahil sa mga pagpapabuti sa teknolohiya ng DNA sequencing. Ang GenBank, ang database ng NIH (US National Institutes of Health), noong Abril 2011, ay naglalaman ng 135,440,924 DNA sequence.

Ang taong 1956 ay naging pangunahing sa proseso ng pananaliksik sa genetika ng tao, dahil ang agham ng chromosology ay nilikha sa taong ito, at isang kongreso sa genetika ng tao ay ginanap sa Copenhagen.

Ang ebolusyon ng anumang agham ay dahil sa pagpipino ng mga modelo at teorya, ngunit ang mga bagong pagpapalagay ay hindi nagkansela ng mga lumang katotohanan, upang kung ano ang totoo kahapon ay hindi palaging mali ngayon. Ang mga pseudo-science lamang ang hindi nababago sa loob ng maraming siglo at ipinagmamalaki ito na parang ito ay isang uri ng garantiya ng kalidad.

Kami ay kinubkob sa lahat ng panig ng maraming mga disiplina, luma at bago, na nagtuturo ng mga medikal na kasanayan na may pambihirang resulta, mga rebolusyonaryong kagamitan para sa pagsukat ng mga negatibo at positibong kakayahan.

Sa kasalukuyan, walang sektor sa agham na hindi pa na-explore saanman at ng isang tao sa mundo: araw-araw, ang mga higanteng sentro ng pananaliksik sa mga unibersidad, pribadong institusyon at kahit na maliliit na laboratoryo, ay nagpapakalat ng malaking halaga ng bagong impormasyon tungkol sa pinakabagong pananaliksik at mga karagdagan. .sa kanila. Minsan ang impormasyong ito ay medyo sira-sira, tulad ng sa mga lugar tulad ng invisibility, ang sekswal na pag-uugali ng mga langaw sa China, o ang molekular na bigat ng mga amoy, at sa mga lugar na nag-iiwan ng puwang para sa mga kapana-panabik na senaryo, tulad ng mga nauugnay sa pagbuo ng buhay sa isang laboratoryo o ang pagtuklas ng mga bagong planeta na maaaring kunin ang bagong buhay na ito.

Ang pangunguna sa karera upang palawigin ang buhay ng tao ay si Craig Venter, ang geneticist, entrepreneur at pilantropo sa likod ng Human Genome Project, na nagsabi noong Marso ngayong taon na ang kanyang pinakabagong proyekto sa genomics ay gagamit ng $70 milyon sa kapital upang lumikha ng isang bagong kumpanya na tinatawag na Human Longevity Inc ( HLI). Hindi nag-iisa si Venter sa kanyang mga ambisyon. Halimbawa, ang kumpanyang Calico (California Life Company) ay may mga layunin na pahusayin ang kalusugan ng mga tao, lutasin ang problema ng pagtanda at mga kaugnay na sakit, at ang University of California, San Diego - kung saan ise-section nila ang cancer genome at HLI tumor sa lahat ng pasyenteng nagdurusa. mula sa cancer at kung sino ang magbibigay ng iyong pahintulot.

Mula noong unang pagkakasunud-sunod noong 2011, mabilis na umunlad ang genomics, at ngayon ang mga siyentipiko ng kanser ay lilipat sa susunod na "susunod na hangganan sa agham," sabi ni Lipman, direktor ng California Institute. "Ngayon tayo ay nasa isang panahon na maitutumbas sa kasaysayan para sa genomics ng cancer cell sectioning sa panahon ng 90s para sa pag-unlad ng Internet. Pinag-aaralan natin ang genome at sectioning na teknolohiya sa pag-asang makakamit ang mabilis na mga resulta sa ang sukat na ito. 15-20 taon ay maaari na ngayong makatotohanang makamit sa loob ng 1-2 taon. Ang paglaban sa kanser ay mabilis na umuunlad at ito ay dulo lamang ng malaking bato ng yelo."

Mga katotohanan mula sa larangan ng genomics:

. Noong Abril 2003, natapos ang Human Genome Project pagkatapos ng 13 taon ng pananaliksik. 2.7 bilyong dolyar ang namuhunan sa proyektong ito.
. Noong Disyembre 2005, ang Cancer Genome Atlas, isang 3-taon, $100 milyon na pilot project, ay inilunsad upang pag-aralan ang genetic makeup ng mga selula ng kanser.
. Noong Mayo 2007, ang genome ni James Watson, isa sa mga nakatuklas ng DNA, ay "na-sequence" sa kabuuan nito, sa halagang hanggang isang milyong dolyar.
. Mula noong katapusan ng nakaraang taon, ang 23andMe ay nagbibigay ng genome sequencing para sa kasing liit ng $1,000.
. Sa kasalukuyan, ang Human Genome Project ay nagpapatuloy. Pagkatapos ng pagkakasunud-sunod, mga tatlong bilyong pares ng base ang natagpuan na bumubuo sa DNA. Ang proyektong ENCODE (Encyclopedia of DNA Elements), na ipinanganak mula sa isang internasyonal na pakikipagtulungan ng higit sa 80 bansa at 35 na grupo ng pananaliksik, ay nangangako ng unang interpretasyon ng impormasyon upang ilarawan ang pag-uugali ng genome.

Naunawaan ng mga mananaliksik kung paano at saan umusbong ang ilang partikular na biological function, hinahamon ang iba't ibang dogma at muling pagsusuri kung ano hanggang kahapon ang itinuturing na "hindi ginustong" DNA o hindi naka-code (hindi aktibo) na DNA. "Ang bagong data ay nagpapakita na ang genome ay naglalaman ng napakakaunting mga seksyon na hindi ginagamit," ayon sa isang pahayag mula sa Consortium at ang European Molecular Biology Laboratory (EMBL-EBI), na nanguna sa pag-aaral kasama ang National Human Genome Research Institute (NHGRI). ), ang National Institutes of Health (NIH) sa United States. Ang pagtanggi sa mito ng genetic determinism ng Human Genome Project ay nagmamarka ng simula ng isang bagong post-genomic na panahon.

Bagong kultural na sitwasyon

Hanggang kamakailan, ang "disenyo" ng tao, iyon ay, ang paglikha ng lahat ng kanyang mga katangian, ay ipinagkatiwala sa kalikasan, walang sinuman ang maaaring mamagitan upang mapabuti ang tao.
Ang bawat bagong organismo ay ipinanganak mula sa isang maliit na selula. Namana niya ang programa ng ninuno sa anyo ng DNA, ngunit hindi namamana ang pisikal na katawan ng kanyang mga ninuno. Minamana niya ang puso ng kanyang mga magulang, ngunit mayroon siyang bagong puso. Ang lahat ay nagsisimula sa simula, mula sa isang cell, ngunit sa bawat bagong buhay, ang programa ng DNA ay maaaring mapabuti at lumala.
Bago suriin ang epekto ng genomics, dapat tandaan na magiging imposible, at maging iresponsable, na talikuran ang mga pamamaraan ng genetic manipulation dahil lamang sa ang mga pamamaraang ito ay maaaring gamitin ng mga walang prinsipyo at makasarili na mga tao para sa kanilang sariling mga layunin.

Walang ahensya ng gobyerno ang may magic wand na makakapagpawala sa lahat ng teknolohiyang genomics. Ang pangunahing isyu sa pagbuo ng genomics ay hindi ang pag-iisip tungkol sa kung paano harangan ang pag-unlad na ito, ngunit sa halip kung paano makuha ang pinakamataas na benepisyo at mabawasan ang mga panganib.

Ang pagsusuri ng mga posibilidad ng genomics para sa mga therapeutic na posibilidad at sa larangan ng pagpapabuti ng genetic na background ay nakasalalay sa mga etikal na prinsipyo, na gagawin bilang isang gabay.

Para sa mga nagsusulong ng pagpaparami ng tao "sa ilalim ng pangangasiwa" at handang tanggapin bilang katotohanan, ang posibilidad ng paggamit ng mga artipisyal na pamamaraan ay napakadaling tanggapin at pagmamanipula ng genetic, ngunit para sa isang tao, ito ay hindi katanggap-tanggap.

Higit pa sa mga prinsipyo kung saan itinataboy ang agham, dapat isaisip ng sangkatauhan na ang lahat ng teknolohiyang genomics na ginagamit sa mga tao ay may isang tao sa harapan. Ang kadahilanang ito ay nagpapataas ng maraming tandang pananong, kabilang ang tanong kung ano ang maaaring maging epekto ng genetic engineering sa balanse ng ecosystem at sa moralidad ng tao mismo, na sa huli ay ang benepisyaryo ng naturang agham gaya ng genomics.

Bago direktang pag-usapan ang mga kahihinatnan na maaaring magkaroon ng genetic manipulations, nilinaw namin na ang pagnanais na mapabuti ang disenyo ng isang tao, bago ang kapanganakan, ay pangunahing direktang impluwensya sa pagpili, iyon ay, "ang pag-alis ng kung ano ang naiiba, kung ano ang hindi perpekto, nabigo." Ito ay tulad ng pagtatapon ng nabigong embryo sa basurahan sa panahon ng IVF procedure.

Sa kapaligiran ng naturang agham bilang genomics, maaari nating pag-usapan ang posibilidad ng pagtatatag ng isang bagong uri ng serbisyo, isang "serbisyo ng gene", na kailangang masiyahan ang pagnanais ng tao na mapabuti ang gene pool nito. Ang serbisyong ito, malamang, ay babayaran ng suporta ng estado o mahigpit na komersyal, kung saan ang bawat tao, sa kondisyon na siya ay solvent, ay magagawang iwasto ang kanyang genetic na impormasyon.

Ngunit ang pagkakaroon ng "serbisyo" na ito ay magiging imposible nang walang teknikal na pag-unlad at ilang pagbabago sa kaisipan ng tao.

Tulad ng anumang gamot, maaaring gamitin ang mga bagong teknolohiyang genomics para sa "serum to gene" kung saan may mga panandaliang o pangmatagalang panganib. Palaging may panganib na maalis ang mga gene na may hindi pa alam na positibong aspeto at maaaring lumabas sa iba't ibang kapaligiran. Halimbawa, ang parehong gene na nagdudulot ng sickle cell anemia ay ginagawang mas lumalaban ang katawan sa malaria.

Kaugnay ng therapy sa gene, dapat nating isipin ang mga pagbabago sa mga cell ng mikrobyo bilang resulta ng somatic gene therapy. Sa ilang partikular na sitwasyon, maaaring ito ay legal (dapat itong masuri kung ang mga taong iyon ay maaaring payagang magparami pagkatapos ng paggamot o hindi), dahil ang pagbabago ng mga cell ng mikrobyo para sa paggamot ay maaaring humantong sa mga pagbabago sa genetic heritage ng mga susunod na henerasyon. Ang gene therapy ng mga embryo ay umuunlad din at may pangangailangan na magsagawa ng mga eksperimento sa mga embryo. Natural, bago makamit ang tagumpay sa mga pag-aaral na ito, magkakaroon ng maraming kabiguan, na nagpapahiwatig na ang bagay ng pag-aaral ay mamamatay. Oo, sa ngalan ng agham at para sa kapakinabangan ng mga susunod na henerasyon, ang mga sakripisyong ito ay maaaring mabigyang-katwiran, ngunit hindi ito maaaring bigyang-katwiran mula sa isang etikal na pananaw.

Ito ay bahagi 1 ng kasaysayan ng genomics, na tinatawag na "Genomic Projects". Sa bahaging ito, susubukan kong tanyag na pag-usapan ang tungkol sa kung paano lumitaw ang mga unang paraan ng pagbabasa ng mga genetic sequence, kung ano ang binubuo ng mga ito, at kung paano lumipat ang genomics mula sa pagbabasa ng mga indibidwal na gene tungo sa pagbabasa ng mga kumpletong genome, kabilang ang kumpletong genome ng mga partikular na tao.

Di-nagtagal pagkatapos ng pagtuklas ng Watson at Crick (Larawan 1), ang agham ng genomics ay ipinanganak. Ang genomics ay ang agham ng pag-aaral ng mga genome ng mga organismo, na kinabibilangan ng masinsinang pagbabasa ng kumpletong mga sequence ng DNA (sequencing) at ang kanilang pagmamapa sa mga genetic na mapa. Isinasaalang-alang din ng agham na ito ang mga pakikipag-ugnayan sa pagitan ng mga gene at alleles ng mga gene at kanilang pagkakaiba-iba, mga pattern sa ebolusyon at ang istraktura ng mga genome. Ang pag-unlad ng lugar na ito ay napakabilis na hanggang kamakailan lamang ay hindi alam ng mga text editor tulad ng Microsoft Word ang salitang "genome" at sinubukang itama ito sa salitang "gnome".

kanin. isaJames Watson (kaliwa) at Francis Crick (kanan) - mga siyentipiko na nakatuklas ng DNA double helix

Ang pinakaunang nabasang gene ay ang shell gene ng bacteriophage MS2, na pinag-aralan sa laboratoryo ng Walter Fyers noong 1972. Noong 1976, kilala rin ang iba pang mga bacteriophage genes - ang replicase nito, ang gene na responsable para sa pagpaparami ng mga viral particle. Ang mga maikling molekula ng RNA ay nabasa nang medyo madali, ngunit ang malalaking molekula ng DNA ay hindi pa nakakabasa nang maayos. Halimbawa, ang 24-titik na pagkakasunud-sunod ng lactose operon gene sequence na nakuha noong 1973 nina Walter Gilbert at Allen Maxam ay itinuturing na isang makabuluhang tagumpay sa agham. Narito ang pagkakasunod-sunod:

5"—TGGAATTGTGAGGGATAACAATT 3"
3"—ACCTTAACACTCGCCTATTGTTAA 5"

Ang mga maagang diskarte sa pagbabasa ng DNA ay napaka hindi epektibo at gumamit ng mga radioactive DNA label at mga kemikal na pamamaraan upang makilala ang mga nucleotide. Halimbawa, maaaring kumuha ang isa ng mga enzyme na pumuputol sa pagkakasunud-sunod ng nucleotide na may iba't ibang probabilidad pagkatapos ng magkakaibang mga titik. Ang molekula ng DNA ay binubuo ng 4 na letra (nucleotides) A, T, G at C, na bahagi ng double anti-parallel (dalawang chain ay nakadirekta sa magkasalungat na direksyon) helix. Sa loob ng helix na ito, ang mga nucleotide ay kabaligtaran ng isa't isa alinsunod sa tuntunin ng complementarity: ang kabaligtaran ng A sa kabilang kadena ay T, ang kabaligtaran ng G ay C at kabaliktaran.

Gumamit sina Gilbert at Maxam ng 4 na uri ng enzymes. Isang cut pagkatapos ng A o G, ngunit mas mahusay pagkatapos ng A (A>G), ang pangalawang cut ay mas mahusay pagkatapos ng G (G>A), ang pangatlo pagkatapos ng C, at ang pang-apat pagkatapos ng C o T (C+T). Ang reaksyon ay isinasagawa sa 4 na mga tubo ng pagsubok sa bawat uri ng enzyme, at pagkatapos ay inilagay ang mga produkto sa isang gel. Ang DNA ay isang sisingilin na molekula at kapag ang kasalukuyang ay nakabukas ito ay tumatakbo mula minus hanggang plus. Ang mas maliliit na molekula ay tumatakbo nang mas mabilis, kaya ang mga putol na molekula ng DNA ay nakahanay sa haba. Sa pagtingin sa 4 na linya ng gel, masasabi ng isa kung anong pagkakasunud-sunod ang mga nucleotide.

Ang isang pambihirang tagumpay sa larangan ng DNA sequencing ay dumating nang ang English biochemist na si Frederick Sanger noong 1975 ay iminungkahi ang tinatawag na "strand termination method" para sa pagbabasa ng mga sequence ng DNA. Ngunit bago pag-usapan ang pamamaraang ito, kinakailangan na ipakilala ang mga prosesong nagaganap sa panahon ng synthesis ng mga bagong molekula ng DNA. Para sa synthesis ng DNA, kailangan ang isang enzyme - DNA-dependent DNA polymerase, na kayang kumpletuhin ang pagbuo ng isang solong-stranded na molekula ng DNA sa isang double-stranded na molekula. Upang gawin ito, ang enzyme ay nangangailangan ng isang "binhi" - isang panimulang aklat, isang maikling DNA sequence na maaaring magbigkis sa isang mahabang solong-stranded na molekula, na gusto nating buuin hanggang sa isang double-stranded. Ang mga nucleotide mismo ay kinakailangan din sa anyo ng mga nucleotide triphosphate at ilang mga kundisyon, tulad ng isang tiyak na nilalaman ng mga magnesium ions sa daluyan at isang tiyak na temperatura. Palaging napupunta ang synthesis sa isang direksyon mula sa dulo na tinatawag na 5' hanggang sa dulo na tinatawag na 3'. Siyempre, para mabasa ang DNA, kailangan mo ng malaking halaga ng matrix - iyon ay, mga kopya ng DNA na babasahin.

Noong 1975, naisip ni Sanger ang mga sumusunod. Kumuha siya ng mga espesyal na (pagwawakas) na mga nucleotide, na, na sumali sa lumalagong kadena ng molekula ng DNA, ay nakagambala sa pag-attach ng kasunod na mga nucleotide, iyon ay, "sinira" nila ang kadena. Pagkatapos ay kumuha siya ng 4 na test tubes, sa bawat isa ay idinagdag niya ang lahat ng 4 na uri ng nucleotides at isang uri ng terminating nucleotides sa isang maliit na halaga. Kaya, sa test tube kung saan matatagpuan ang terminating nucleotide "A", ang synthesis ng bawat bagong molekula ng DNA ay maaaring masira sa anumang lugar kung saan dapat tumayo ang "A", sa test tube na may nagtatapos na "G" - kahit saan kung saan. Dapat tumayo si G, at iba pa. Dagdag pa. Ang 4 na linya mula sa 4 na tubo ay inilapat sa gel (Larawan 2) at muli ang pinakamaikling mga molekula ay "tumakbo" pasulong, at ang pinakamahabang nanatili sa simula, at sa pamamagitan ng mga pagkakaiba sa mga banda posible na sabihin kung aling nucleotide ang sumusunod kung alin. Upang makita ang mga banda, isa sa apat na nucleotides (A, T, G, o C) ay nilagyan ng label, nang hindi binabago ang mga katangian ng kemikal, gamit ang radioactive isotopes.

kanin. 2Paraan ng Sanger. Tatlong serye ng 4 na track ang ipinapakita.

Gamit ang pamamaraang ito, binasa ang unang genome na nakabatay sa DNA, ang bacteriophage ϕX174 genome, 5.386 nucleotides ang haba (ang MS2 phage genome na nabasa kanina ay RNA-based at may genome na 3.569 nucleotides ang haba).

Ang pamamaraan ng Sanger ay makabuluhang napabuti sa laboratoryo ng Leroy Hood, kung saan noong 1985 ang radioactive label ay pinalitan ng isang makinang, fluorescent na label. Ginawa nitong posible na lumikha ng unang awtomatikong sequencer: ang bawat molekula ng DNA ay pininturahan na ngayon ng ibang kulay depende sa kung ano ang huling titik (nucleotide na may label na kulay na nagtatapos sa kadena). Ang mga fragment ay pinaghiwalay ayon sa laki sa gel, at awtomatikong binabasa ng makina ang luminescence spectrum ng mga papasok na banda, na naglalabas ng mga resulta sa isang computer. Bilang resulta ng pamamaraang ito, ang isang chromatogram ay nakuha (Larawan 2), ayon sa kung saan madaling magtatag ng isang pagkakasunud-sunod ng DNA hanggang sa 1000 mga titik ang haba, na may napakaliit na bilang ng mga pagkakamali.

kanin. 3 Isang halimbawa ng isang chromatogram, sa isang modernong sequencer, gamit ang paraan ng pagwawakas ng Sanger chain at isang kumikinang na label.

Sa loob ng maraming taon, ang pinahusay na pamamaraan ni Sanger ay magiging pangunahing paraan ng mass genome sequencing at gagamitin para sa maraming buong genome na proyekto, at si Sanger ay makakatanggap ng pangalawang Nobel Prize sa Chemistry noong 1980 (natanggap niya ang kanyang una noong 1958 para sa pagbabasa ng amino acid pagkakasunud-sunod ng protina ng insulin, ang unang nabasang protina). Ang unang kumpletong genome ng isang cellular organism ay ang genome ng isang bacterium na nagdudulot ng ilang uri ng pneumonia at meningitis - haemophilus influenzae noong 1995. Ang genome ng bacterium na ito ay 1,830,137 nucleotides ang haba. Noong 1998, lumilitaw ang unang genome ng isang multicellular na hayop, isang roundworm Caenorhabditis elegans(Larawan 4 sa kanan), na may 98 milyong nucleotides, at pagkatapos ay sa taong 2000 ang unang genome ng halaman ay lilitaw - Arabidopsis thaliana(Larawan 4 sa kaliwa), mga kamag-anak ng malunggay at mustasa. Ang genome ng halaman na ito ay 157 milyong nucleotides ang haba. Ang bilis at sukat ng pagkakasunud-sunod ay lumago sa isang kamangha-manghang bilis, at ang mga umuusbong na database ng mga pagkakasunud-sunod ng nucleotide ay napunan nang mas mabilis at mas mabilis.

kanin. 4 Arabidopsis thaliana(kaliwa) at Caenorhabditis elegans(sa kanan).

Sa wakas, ito na ang turn ng mammalian genome: ang mouse at human genome. Noong, noong 1990, pinangunahan ni James Watson ang buong proyekto ng pagbabasa ng genome ng tao sa National Institutes of Health (NIH) sa US, maraming mga siyentipiko ang nag-aalinlangan sa ideya. Ang nasabing proyekto ay nangangailangan ng malaking pamumuhunan ng pera at oras at, dahil sa limitadong kakayahan ng mga umiiral na makina para sa pagbabasa ng mga genome, tila sa marami ay hindi talaga magagawa. Sa kabilang banda, ang proyekto ay nangako ng mga rebolusyonaryong pagbabago sa medisina at pag-unawa sa istraktura ng katawan ng tao, ngunit kahit dito ay may mga problema. Ang katotohanan ay sa sandaling iyon ay walang eksaktong pagtatantya ng bilang ng mga gene sa isang tao. Marami ang naniniwala na ang pagiging kumplikado ng istraktura ng katawan ng tao ay nagpapahiwatig ng pagkakaroon ng daan-daang libong mga gene, at marahil ilang milyon, at, samakatuwid, ang pag-uuri ng ganoong bilang ng mga gene, kahit na mababasa ang kanilang pagkakasunud-sunod, ay magiging isang imposibleng gawain. Ito ay sa pagkakaroon ng isang malaking bilang ng mga gene na ipinapalagay ng marami ang pangunahing pagkakaiba sa pagitan ng tao at iba pang mga hayop - isang pananaw na kasunod na pinabulaanan ng proyekto ng genome ng tao.

Ang mismong ideya ng pagbabasa ng genome ng tao ay ipinanganak noong 1986 sa inisyatiba ng Kagawaran ng Enerhiya ng US, na kasunod na pinondohan ang proyekto kasama ang NIH. Ang halaga ng proyekto ay tinatantya sa 3 bilyong dolyar, at ang proyekto mismo ay dinisenyo para sa 15 taon na may partisipasyon ng ilang mga bansa sa proyekto: China, Germany, France, Great Britain at Japan. Upang basahin ang genome ng tao, ginamit ang tinatawag na "artificial bacterial chromosome" (BAC - bacterial artificial chromosome). Sa ganitong paraan, ang genome ay pinutol sa maraming piraso, mga 150,000 libong nucleotide ang haba. Ang mga fragment na ito ay ipinasok sa mga artipisyal na ring chromosome na ipinapasok sa bacteria. Sa tulong ng bakterya, dumarami ang mga kromosom na ito, at nakakakuha ang mga siyentipiko ng maraming kopya ng parehong fragment ng molekula ng DNA. Ang bawat naturang fragment ay binabasa nang hiwalay, at ang mga nabasang piraso ng 150,000 nucleotides ay naka-plot sa isang chromosome map. Ang pamamaraang ito ay nagbibigay-daan sa medyo tumpak na pagkakasunud-sunod ng genome, ngunit ito ay napakatagal.

Ngunit ang proyekto ng genome ng tao ay lumipat sa napakabagal na bilis. Ang scientist na si Craig Venter at ang kanyang kumpanyang Celera Genomics, na itinatag noong 1998, ay gumanap tungkol sa parehong papel sa kasaysayan ng genomics bilang ang Unyong Sobyet ay naiimpluwensyahan ang mga Amerikano sa buwan. Sinabi ni Venter na kukumpletuhin ng kanyang kumpanya ang proyekto ng human genome bago matapos ang proyekto ng gobyerno. Ang proyekto ay mangangailangan lamang ng $300 milyon - isang bahagi ng halaga ng isang proyekto ng gobyerno gamit ang bagong teknolohiya sa sequencing ng "buong genome shotgun" - pagbabasa ng mga random na maikling fragment ng genome. Nang malaman ni Francis Collins, na pumalit kay James Watson bilang pinuno ng Human Genome Reading Project noong 1993, ang mga intensyon ni Venter, nagulat siya. “ Gagawin namin ang genome ng tao, at maaari kang gumawa ng mouse Iminungkahi ni Venter. Naalarma ang komunidad ng siyensya, at sa ilang kadahilanan. Una, nangako si Venter na tatapusin ang kanyang proyekto noong 2001, 4 na taon bago ang iskedyul para sa proyekto ng gobyerno. Pangalawa, gagamitin ng Celera Genomics ang proyekto sa pamamagitan ng paglikha ng isang ganap na database na babayaran ng mga komersyal na kumpanya ng parmasyutiko.

Noong 2000, pinatunayan ni Celera ang bisa ng kanyang sequencing method sa pamamagitan ng pag-publish ng genome ng Drosophila fruit fly, kasama ang laboratoryo ng geneticist na si Gerald Rubin (noong una, ang buong genome shotgun ay ginamit upang basahin ang unang genome ng isang bacterium, ngunit kakaunti ang naniniwala na ang pamamaraang ito ay angkop para sa malalaking genome). Ang sipa na ito mula sa isang komersyal na kumpanya ang nag-udyok sa pagbuo ng pinahusay at mas modernong mga pamamaraan ng pagbabasa ng mga genome sa Human Genome Project. Noong 2001, isang paunang bersyon ng genome ang inilathala ng State Genomic Project at Celera. Pagkatapos ay ginawa ang isang paunang pagtatantya ng bilang ng mga gene sa genome ng tao, 30-40 libo. Noong 2004, ang huling bersyon ng genome ay lumabas, halos dalawang taon nang mas maaga sa iskedyul. Sa huling artikulo, sinabi na ang bilang ng mga gene sa isang tao ay 20-25 libo lamang. Ang bilang na ito ay maihahambing sa ibang mga hayop, partikular sa isang uod C.elegans.

Halos walang nahulaan na ang bilang ng mga gene na tumitiyak sa gawain ng ating katawan ay maaaring napakaliit. Nang maglaon, nalaman ang iba pang mga detalye: ang genome ng tao ay may haba na humigit-kumulang tatlong bilyong nucleotides, karamihan sa genome ay binubuo ng mga non-coding sequence, kabilang ang lahat ng uri ng pag-uulit. Isang maliit na bahagi lamang ng genome ang aktwal na naglalaman ng mga gene - mga seksyon ng DNA kung saan binabasa ang mga functional na molekula ng RNA. Ang isang kagiliw-giliw na katotohanan ay na habang ang kaalaman sa genome ng tao ay tumaas, ang bilang ng mga putative genes ay nabawasan lamang: maraming mga potensyal na gene ay naging pseudogenes (hindi gumaganang mga gene), sa ibang mga kaso, maraming mga gene ang naging bahagi ng pareho. gene.

Ang mga karagdagang sequencing rate ay tumaas nang husto. Noong 2005, nai-publish ang chimpanzee genome, na nakumpirma ang kamangha-manghang pagkakatulad sa pagitan ng mga unggoy at mga tao, na nakita ng mga zoologist ng nakaraan. Noong 2008, ganap nang nabasa ang mga genome ng 32 vertebrates, kabilang ang pusa, aso, kabayo, macaque, orangutan at elepante, 3 invertebrate deuterostome genome, 15 insect genome, 7 worm genome, at daan-daang bacterial genome.

Sa wakas, noong 2007, nilapitan ng sangkatauhan ang posibilidad ng pagkakasunud-sunod ng mga genome ng mga indibidwal na tao. Ang unang tao na nagkaroon ng kumpletong indibidwal na genome na nabasa ay si Craig Venter (Larawan 4). Kasabay nito, binasa ang genome sa paraang posible na ihambing ang mga chromosome ni Venter, na minana mula sa parehong mga magulang. Kaya, napag-alaman na sa pagitan ng isa at isa pang hanay ng mga chromosome sa loob ng isang tao ay may humigit-kumulang tatlong milyong isang letrang pagkakaiba sa nucleotide, hindi binibilang ang malaking bilang ng malalaking iba't ibang rehiyon. Pagkalipas ng isang taon, ang kumpletong diploid genome ni James Watson ay nai-publish (Larawan 5). Ang genome ni Watson ay naglalaman ng 3.3 milyong solong-titik na pagpapalit kumpara sa annotated na genome ng tao, kung saan higit sa 10,000 ang nagresulta sa mga pagbabago sa mga protina na nagko-code para sa kanyang mga gene. Ang genome ni Watson ay nagkakahalaga ng $1 milyon, iyon ay, ang presyo ng pagbabasa ng mga genome ay bumagsak ng higit sa 3,000 beses sa loob ng 10 taon, ngunit hindi ito ang limitasyon. Ngayon, ang mga siyentipiko ay nahaharap sa gawain ng '1 genome - $1000 - 1 araw', at tila hindi na ito imposible sa pagdating ng mga bagong teknolohiya sa pagkakasunud-sunod. Ang susunod na bahagi ng "kuwento" ay magsasabi tungkol sa kanila.

kanin. 5 Sina James Watson at Craig Venter ang mga unang tao na indibidwal na nagbasa ng mga genome.

1. Watson J, Crick F: Isang Istraktura para sa Deoxyribose Nucleic Acid. Kalikasan 1953(171):737-738.
2. Min Jou W, Haegeman G, Ysebaert M, Fiers W: Nucleotide sequence ng gene coding para sa bacteriophage MS2 coat protein. Kalikasan 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 et al: Kumpletong nucleotide sequence ng bacteriophage MS2 RNA: pangunahin at pangalawang istraktura ng replicase gene. Kalikasan 1976, 260(5551):500-507.
   
4. Gilbert W, Maxam A: Ang nucleotide sequence ng lac operator. Proc Natl Acad Sci U S A 1973, 70(12):3581-3584.
   
5. Maxam AM, Gilbert W: Isang bagong paraan para sa DNA sequencing. Proc Natl Acad Sci U S A 1977, 74(2):560-564.
   
6. Sanger F, Nicklen S, Coulson AR: DNA sequencing na may chain-terminating inhibitors. Proc Natl Acad Sci U S A 1977, 74(12):5463-5467.
   
7. Smith LM, Sanders JZ, Kaiser RJ, Hughes P, Dodd C, Connell CR, Heiner C, Kent SB, Hood LE: Fluorescence detection sa automated DNA sequence analysis. Kalikasan 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 et al: Whole-genome random sequencing at assembly ng Haemophilus influenzae Rd. Agham 1995, 269(5223):496-512.
   
9. Genome sequence ng nematode C. elegans: isang plataporma para sa pagsisiyasat ng biology. Science 1998, 282(5396):2012-2018.
   
10. Pagsusuri ng genome sequence ng namumulaklak na halaman na Arabidopsis thaliana. Kalikasan 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 et al: Ang genome sequence ng Drosophila melanogaster. Science 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: Ang pagkakasunud-sunod ng genome ng tao. Science 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: Paunang pagkakasunud-sunod at pagsusuri ng genome ng tao. Kalikasan 2001, 409(6822):860-921.
    
14. Tinatapos ang euchromatic sequence ng genome ng tao. Kalikasan 2004, 431(7011):931-945.
    
15. Paunang pagkakasunud-sunod ng genome ng chimpanzee at paghahambing sa genome ng tao. Kalikasan 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: Ang diploid genome sequence ng isang indibidwal na tao. 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: Ang kumpletong genome ng isang indibidwal sa pamamagitan ng napakalaking parallel na DNA sequencing. Kalikasan 2008, 452(7189):872-876.

Part 2 - dito

Ang genomics ay karaniwang tinatawag na isa sa mga sangay ng molecular biology. Ang pangunahing gawain nito ay nakasalalay sa tinatawag na genome sequencing - ang pag-aaral ng mga nucleotide sequence ng DNA at RNA. Huwag malito ang mga salitang genetics at genomics. Ang genetika ay tumatalakay sa pag-aaral ng mga mekanismo ng pagmamana at pagkakaiba-iba, at ang genomics ay idinisenyo upang isabuhay ang kaalamang natamo.

Mula sa kasaysayan ng agham

Bilang isang espesyal na lugar, ang genomics ay nabuo noong 1980-1990 kasama ang paglitaw ng mga unang proyekto para sa pagkakasunud-sunod (molecular analysis) ng mga genome ng ilang mga species ng mga buhay na organismo.

Istraktura ng genomics

Sa modernong genomics, maraming mga subsection:

• comparative o evolutionary genomics, ito ay batay sa isang paghahambing ng organisasyon at nilalaman ng mga genome ng iba't ibang mga buhay na organismo;
• functional genomics - pag-aaral nang detalyado ang mga function ng mga gene, ang epekto nito sa aktibidad ng gene;
• Ang structural genomics ay tumatalakay sa sequencing, ang molecular analysis ng DNA, sa batayan kung saan ang mga genomic na mapa ay nilikha at maihahambing.

Bakit kailangan natin ng genomics

Ang isang malaking bilang ng mga genome ng iba't ibang mga microorganism (pangunahin na pathogenic) ay na-decipher. Ginagawa nitong posible na maghanap ng mga gene na target ng gamot dito at gumawa ng mga bagong gamot.

Ang genomics ay itinuturing bilang isang mahalagang, kinakailangang bahagi ng pangkalahatang biology. Nagagawa nitong gumawa ng malaking kontribusyon sa pagpapaunlad ng biotechnology, agrikultura, at pangangalagang pangkalusugan.

Sa isang ospital sa Wisconsin, isang tatlong-taong-gulang na paslit ang naguguluhan sa mga doktor sa mahabang panahon. Sa batang ito, ang mga bituka ay edematous, at halos ganap na puno ng mga abscesses. Ang batang ito ay nakaligtas sa mahigit isang daang operasyon sa edad na tatlo. Ang sanggol ay binigyan ng kumpletong pagkakasunud-sunod ng mga rehiyon ng coding ng kanyang DNA, at natukoy ang salarin ng sakit - ang protina ng XIAP, na kasangkot sa mga signal chain ng programmed cell death, ay gumaganap ng napakahalagang papel sa immune system. Dahil sa diagnosis, inirerekomenda ng mga physiologist ang bone marrow transplant. Nailigtas ang sanggol.

Ang isa pang kaso ay nagsasangkot ng isang hindi tipikal na kanser sa isang tatlumpu't siyam na taong gulang na babae na nagdusa mula sa isang talamak na anyo ng promyelocytic leukemia. Kapag gumagamit ng mga karaniwang pamamaraan ng diagnostic, hindi matukoy ang sakit. Ngunit kapag ang pag-decipher at pag-aaral ng genome ng mga selula ng kanser, posible na malaman na ang isang malaking seksyon ng ikalabinlimang chromosome ay lumipat sa ikalabimpito, na nagdulot ng isang tiyak na pakikipag-ugnayan ng gene. Ang pasyente ay inireseta ng sapat na paggamot.