ژنوم انسان از چند کروموزوم تشکیل شده است. تغییرات در کروموزوم ها در طول تقسیم سلولی. ژنوم انسان: مفاهیم کلی

در سلول های بدن 46 کروموزوم وجود دارد. حامل واحدهای وراثت، ساختارهای هسته سلول - کروموزوم ها هستند.
کروموزوم ها را می توان به راحتی در سلول های در حال تقسیم مشاهده کرد. سلول های بدن حاوی مجموعه ای از کروموزوم های دیپلوئیدی هستند - هر کروموزوم یک کروموزوم خواهر مشابه خود دارد. سلول های جنسی حاوی مجموعه ای از کروموزوم هاپلوئید هستند.
در سلول های بدن انسان 46 کروموزوم وجود دارد.
دو نوع تقسیم سلولی وجود دارد - میتوز و میوز. اولی مشخصه تقسیم سلول های سوماتیک است، دومی در طول تشکیل سلول های زایا رخ می دهد.
در میتوز، کروموزوم ها دو برابر شده و سپس به سلول های دختر جدا می شوند. در نتیجه، دو سلول کاملاً یکسان با والد تشکیل می شود.
در میوز، کروموزوم ها یک بار تکرار می شوند، اما سپس دو چرخه تقسیم سلولی دنبال می شود. در طول اولین تقسیم، کروموزوم های همولوگ به طور تصادفی به سلول های مختلف واگرا می شوند. بخش دوم میوز شبیه میتوز است. میوز چهار سلول دختر را با مجموعه ای از کروموزوم هاپلوئید تولید می کند.
فرآیند نوترکیبی کروموزوم ها در حین تقسیم کاهشی با نوترکیبی واحدهای وراثتی مندلی مطابقت دارد.
واحدهای وراثت ژن نامیده می شوند و به صورت خطی روی کروموزوم ها قرار می گیرند. ژن هایی که روی یک کروموزوم قرار دارند پیوند خورده نامیده می شوند.
ژن‌های مرتبط می‌توانند از طریق فرآیند عبور، که در آن نواحی بین کروموزوم‌های همولوگ رد و بدل می‌شوند، دوباره ترکیب شوند.
فرآیندهای نوترکیبی که در میوز رخ می دهد زمینه ساز تنوع ژنتیکی است و منجر به منحصر به فرد بودن ژنتیکی افراد می شود.
دانشمندان مؤسسه Sanger از Wellcome Trust در کمبریج کروموزوم انسانی دیگری را رمزگشایی کرده اند که بزرگترین کروموزوم نقشه برداری شده تا به امروز است. کروموزوم 20 سومین کروموزوم متوالی شد. این شامل اطلاعاتی در مورد طیف وسیعی از بیماری ها از چاقی و اگزما گرفته تا زوال عقل و آب مروارید است.

این کروموزوم حاوی 727 کروموزوم است که 32 مورد از آنها با ایجاد بیماری های ژنتیکی از جمله بیماری کروتزفلد-جاکوب، اختلالات شدید سیستم ایمنی، بیماری قلبی و دیابت مرتبط است. شصت میلیون نوکلئوتید تشکیل دهنده کروموزوم حدود دو درصد از کل کد ژنتیکی انسان را تشکیل می دهد.

دکتر پانوس دلوکاس، که رهبری تیم را بر عهده داشت، خاطرنشان کرد که کروموزوم حاوی بخش اضافی DNA است که حداقل یک ژن را در خود دارد. سایت مشابهی در 37 درصد از افراد نژاد اروپایی یافت می شود. دانشمندان نمی‌دانند که آیا این ژن در انسان کار می‌کند یا خیر، و مسئول چه چیزی است.

دانشمندان همچنین دریافته اند که بیش از 30000 آرایش نوکلئوتیدی در کروموزوم بیستم یافت می شود که تنوع ساختار DNA را تضمین می کند. به گفته دانشمندان، آگاهی از تغییرات، به عنوان مثال، به توضیح اینکه چرا برخی افراد مستعد ابتلا به سرطان یا دیابت هستند، کمک خواهد کرد.

هر کروموزوم انسانی توسط دو زنجیره مارپیچ از مولکول های DNA که توسط نوکلئوتیدها به هم متصل شده اند نشان داده می شود. DNA شامل چهار نوکلئوتید است: آدنین، تیمین، گوانین و سیتوزین. توالی نوکلئوتیدها در مولکول های DNA کد ژنتیکی یک موجود زنده را تعیین می کند.

در انسان 99.9 درصد از ژن ها یکسان است و این تفاوت در ساختار 0.1 درصد ژن ها است که افراد را منحصر به فرد می کند.

سالم

پروژه توالی یابی ژنوم انسانی- یک پروژه تحقیقاتی بین المللی که هدف اصلی آن تعیین توالی نوکلئوتیدهای تشکیل دهنده DNA و شناسایی 20 تا 25 هزار نفر بود. و 1986 و اقدامات بعدی وزارت نیرو. در گزارش 1987 به صراحت آمده است: "هدف نهایی این تلاش شناخت ژنوم انسان است" و "دانش ژنوم انسان برای پیشرفت پزشکی و سایر علوم بهداشتی به همان اندازه لازم است که دانش آناتومی برای دستیابی به وضعیت فعلی آن ضروری است." " جستجو برای فناوری های مناسب برای حل مشکل پیشنهادی در نیمه دوم دهه 1980 آغاز شد. در سال 1998، محقق آمریکایی کریگ ونتر و شرکت او Celera Genomics مطالعه مشابهی را با بودجه خصوصی راه اندازی کردند. در اوایل دهه 1990، زمانی که

چند ژن در ژنوم انسان وجود دارد.

استیون ال. سالزبرگ

BMC Biology، 2018/08/20

17 سال پس از انتشار اولیه ژنوم انسان، ما هنوز همه ژن های خود را پیدا نکرده ایم. به نظر می رسد که پاسخ پیچیده تر از آن چیزی است که در آغاز پروژه ژنوم انسانی (HGP) تصور می شد.

فهرست ژن های انسان

به سختی می توان اهمیت فهرستی از ژن های انسانی را دست بالا گرفت. هزاران مطالعه بر آن تکیه دارند، از جمله تحقیقات در مورد علل ژنتیکی سرطان، اختلالات پیچیده مانند اسکیزوفرنی و زوال عقل، اختلالات مندلی و بسیاری دیگر. پس از دریافت نتایج توالی یابی DNA از یک بیمار بیمار، اولین سوال معمولا این است که "چه ژن هایی تحت تاثیر قرار می گیرند؟" این سؤال فرض می‌کند که ما می‌دانیم ژن‌ها کجا هستند - و با وجود پیشرفت فوق‌العاده در دو دهه گذشته، دانش ما از فهرست ژن‌های انسانی هنوز کامل نیست.

اهداف اصلی پروژه ژنوم انسانی (HGP) که از سال 1990 تا 2003 اجرا شد، تعیین توالی DNA و "محل تخمین زده شده 100000 ژن انسانی" بود. دانشمندان در آن زمان بر این باور بودند که زمانی که توالی را در دست داشته باشیم، می‌توانیم همه ژن‌ها را نسبتاً سریع پیدا کنیم. تاریخ بعدی خلاف این را ثابت کرده است: امروزه چندین پایگاه داده رقابتی از ژن های انسانی وجود دارد که حاوی هزاران تفاوت است. و در حالی که تعداد ژن های کد کننده پروتئین به تدریج در حال همگرا شدن است، تعداد انواع دیگر ژن ها افزایش یافته است.

ژن چیست؟

برای پاسخ به این سوال که چند ژن داریم، ابتدا باید در مورد معنای کلمه "ژن" توافق کنیم. این تعریف از زمان مندل تکامل یافته است، اما تمرکز اصلی فرآیند HGP بر روی ژن‌های کدکننده پروتئین بوده است. آن ها مناطقی از ژنوم که به RNA رونویسی می شوند و سپس برای سنتز پروتئین استفاده می شوند. با این حال، بسیاری از ژن‌ها غیرکدکننده هستند: مقاله اصلی HGP در سال 2001 اذعان داشت که «هزاران ژن انسانی RNA غیر کدکننده را به عنوان محصول نهایی خود تولید می‌کنند»، اگرچه خود مقاله 706 ژن RNA غیر کدکننده را گزارش کرده است. بنابراین، برای این بحث، تعریف زیر را از ژن ارائه خواهیم کرد:

ژن: هر فاصله ای در طول DNA کروموزومی که به یک مولکول RNA عملکردی رونویسی می شود یا به RNA رونویسی می شود و سپس به یک پروتئین عملکردی ترجمه می شود.

این تعریف شامل ژن‌های غیر کدکننده RNA و ژن‌های کدکننده پروتئین می‌شود، و همچنین همه گونه‌های اسپلایسینگ جایگزین را در یک مکان با هم به‌عنوان گونه‌های روی همان ژن گروه‌بندی می‌کند. این قانون برای حذف شبه‌زاها، که بقایای غیرعملکردی ژن‌های واقعی هستند، در نظر گرفته شده است. درست است، این تعریف این سوال را مطرح می کند که منظور از عملکرد چیست، و یک تعریف واقعا جامع از اصطلاح ژن احتمالاً صفحات زیادی را برای توصیف نیاز دارد.

با این حال، آیا ما در مورد تعداد ژن های کد کننده پروتئین درک داریم؟ پاسخ کوتاه: خیر. HGP با این فرض شروع شد که ژنوم ما حاوی 100000 ژن کدکننده پروتئین است و تخمین‌های منتشر شده در دهه 1990 این مقدار را کمی کاهش داد و معمولاً مقادیر بین 50000 تا 100000 را گزارش می‌کرد. و هنگامی که پروژه کاملتر HGP در سال 2004 ظاهر شد، نویسندگان تخمین زدند که کاتالوگ کامل شامل 24000 ژن کد کننده پروتئین است. کاتالوگ ژن انسانی Ensembl شرح داده شده در این مقاله (نسخه 34d) شامل 22287 ژن کد کننده پروتئین و 34214 رونوشت است.

تعداد در حال گسترش ژن های RNA

اختراع RNA-seq در سال 2008، که برای بهبود توانایی ما در تعیین کمیت بیان ژن طراحی شده بود، همچنین توانایی ما را برای تشخیص توالی های رونویسی شده، چه کدکننده و چه غیر کدکننده، بهبود بخشید. بسیاری از رونوشت‌های غیرکدکننده‌ای که متعاقباً کشف شدند حاوی اینترون بودند و بسیار طولانی بودند، که باعث شد آنها را پیوند-RNA نامیده شوند، برای RNA‌های غیرکدکننده میانی طولانی که بعداً به lncRNA کوتاه شدند و منجر به «تخریب» شد. پایگاه های داده lncRNA ها (و سایر ژن های RNA مانند miRNA ها) در طول دهه به طور چشمگیری رشد کرده اند و اکنون تعداد ژن های RNA در کاتالوگ های ژن انسانی بیشتر از ژن های کد کننده پروتئین است.

تعداد گزینه های اتصال به سرعت در حال گسترش است

RNA-seq همچنین شگفتی دیگری را نشان داد: پیوند جایگزین، شروع رونویسی جایگزین و خاتمه رونویسی جایگزین بسیار بیشتر از هر زمان دیگری رخ داده است و احتمالاً تا 95٪ از ژن های انسانی را تحت تأثیر قرار می دهد. مفهوم این یافته‌ها این است که حتی اگر بدانیم همه ژن‌ها کجا هستند، هنوز کار قابل توجهی برای یافتن همه ایزوفرم‌های آن ژن‌ها و حتی بیشتر از آن برای تعیین اینکه آیا این ایزوفرم‌ها عملکردی دارند یا فقط انجام می‌دهیم، داریم. همانطور که برخی استدلال کرده اند نشان دهنده خطاهای اتصال است.

الان کجا هستیم؟

ما با وظیفه شناسایی همه ژن های انسانی روبرو هستیم. اکنون یک مشکل این است که در 15 سال گذشته، تنها دو گروه فهرست‌های ژنی غالب را کنترل کرده‌اند: RefSeq که توسط مرکز ملی اطلاعات بیوتکنولوژی (NCBI) در NIH نگهداری می‌شود و Ensembl/Gencode که توسط اروپا نگهداری می‌شود. آزمایشگاه بیولوژی مولکولی (EMBL). حتی پس از گذشت این همه زمان، علیرغم پیشرفت قابل توجه، این دو کاتالوگ امروزه صدها تناقض بین فهرست ژن‌های کدکننده پروتئین، هزاران تناقض بین lncRNA‌های خود و چندین دسته از ژن‌ها (مانند miRNA ها و RNA های ضد حس) دارند که حتی بیشتر از این تفاوت دارند. گاهی اوقات حتی در مورد نوع ژن توافق نمی کنند. این دو کاتالوگ نیز در حال توسعه هستند. به عنوان مثال، تنها در سال گذشته، صدها ژن کد کننده پروتئین به لیست Gencode اضافه شده یا از آن حذف شده است. این اختلاف نظرها چالش مداوم ایجاد یک فهرست جامع از ژن های انسانی را برجسته می کند.

مشکل یافتن همه ژن‌های انسانی بسیار مهم است که فقط به دو گروه واگذار شود، به‌ویژه با توجه به عدم توافق در پایگاه‌های داده فعلی. در سال 2017، ما یک پایگاه داده ژن انسانی جدید به نام CHESS ایجاد کردیم که از یک مجموعه عظیم RNA-seq برای یادآوری تمام رونوشت‌ها از بررسی گسترده بافت‌های انسانی استفاده می‌کرد که به عنوان پیش چاپ در دسترس است. مجموعه ژن CHESS که بیش از 100000 ایزوفرم ژن جدید و ژن های جدید کمتری را به پایگاه های داده موجود اضافه می کند، در نظر گرفته شده است تا مجموعه جامع تری از ژن های انسانی را ارائه دهد. با طراحی، شامل تمام ژن‌های کدکننده پروتئین از Gencode و RefSeq است، بنابراین کاربران CHESS مجبور نیستند تصمیم بگیرند کدام پایگاه داده را ترجیح می‌دهند. ژن‌های بیشتر ممکن است شامل موارد مثبت کاذب بیشتری باشند، اما ما معتقدیم که مجموعه وسیع‌تر با این وجود بسیار مفید خواهد بود، به‌ویژه برای بسیاری از مطالعات بیماری‌های انسانی که هنوز علت ژنتیکی پیدا نکرده‌اند. واضح است که پایگاه داده CHESS در نسخه فعلی 2.0 هنوز نهایی نشده است و در سال های آینده بهبود خواهد یافت.

نکته اصلی این است که ما هنوز نمی دانیم چند ژن داریم، اگرچه پیشرفت کرده ایم. به نظر می رسد که بسیاری از ژن ها (به ویژه lncRNA ها) بسیار خاص بافت هستند. و تا زمانی که نگاه دقیق‌تری به انواع سلول‌های انسانی نداشته باشیم، مطمئن نیستیم که همه ژن‌ها و رونوشت‌های انسانی پیدا شده باشند. برای اکثر گونه های جانوری و گیاهی دیگر، ما حتی کمتر در مورد مجموعه ژن ها می دانیم، اگرچه دانش ما به سرعت در حال بهبود است. با این حال، ناتوانی ما در یافتن یک پاسخ ساده برای سوال اساسی HGP به این معنی نیست که ما شکست خورده ایم. برعکس، دانش ما از ژن‌های انسانی به‌طور قابل‌توجهی غنی‌تر از آغاز HGP است، و پیشرفت‌های فناوری در دهه گذشته ما را تشویق می‌کند که در نهایت این تعداد را ایجاد کنیم.

یک فرد چند ژن دارد؟

این جالب ترین سوالی است که به خاطر آن توالی یابی کامل ژنوم انسان در واقع آغاز شد. پس از به دست آوردن اطلاعات اولیه در مورد ساختار ژنوم انسان، ابتدا تجزیه و تحلیل های مختلفی برای جستجوی ژن ها و تعیین تعداد آنها انجام شد. با این حال، این کار آسان نبود. این ممکن است برای خواننده عجیب به نظر برسد، اما هنوز هیچ پاسخ روشنی برای سوال مطرح شده وجود ندارد.

چند ژن در DNA انسان وجود دارد؟ چند سال پیش، اعتقاد بر این بود که حدود 100000 نفر از آنها وجود دارد، سپس آنها تصمیم گرفتند که بیش از 80000٪ از طول کل DNA وجود نداشته باشد.

آخرین تخمین ها از تعداد کل ژن ها در ژنوم انسان توسط چندین تیم بین المللی از دانشمندان انجام شد. شرکت قبلاً ذکر شده "Celera" تحقیقات خود را انجام داد که نتایج آن در مجله "Science" در سال 2001 ارائه شده است. بر اساس برآوردهای او، تعداد کل ژن ها در ژنوم انسان از 26383 تا 39114 متغیر است. اندازه متوسط ​​ژن تقریباً 3000 جفت باز تخمین زده می شود. اگر تعداد ژن های یک فرد را حدود 30 هزار فرض کنیم و هر ژن تقریباً 3 هزار جفت باز باشد، به راحتی می توان محاسبه کرد که کمتر از 1.5 درصد از DNA کروموزومی در کدگذاری پروتئین نقش دارد. بنابراین، دستورالعمل های ژنتیکی برای شکل گیری شخصیت انسان، کمتر از 3 سانتی متر بر روی یک مولکول DNA دو متری اشغال می کند. تعداد اندکی از ژن‌هایی که این دستورالعمل‌ها را حمل می‌کنند نیز شگفت‌آور است - فقط پنج برابر بیشتر از آنها وجود دارد، مثلاً، به نظر ما، موجودی کاملاً ابتدایی مانند مگس مگس سرکه.

تیم دوم پژوهشگران مؤسسه ملی تحقیقات ژنومی ایالات متحده به رهبری فرانسیس کالینز تعداد ژن های یک فرد را به روشی مستقل شمارش کردند و بر اساس داده های آنها نتیجه مشابهی دریافت کردند - حدود 32000 ژن در ژنوم موجود است. از هر سلول انسانی

اختلاف در برآوردهای نهایی هنوز توسط دو تیم دیگر از دانشمندان انجام می شود. دکتر ویلیام هسلتین (مدیرعامل علوم ژنوم انسانی) همچنان اصرار دارد که بانک آنها حاوی اطلاعات خصوصی شده برای 120000 ژن باشد. او هنوز قرار نیست این اطلاعات را با جامعه جهانی در میان بگذارد. این شرکت روی اختراعات سرمایه گذاری کرده است و قصد دارد از اطلاعات دریافتی، زیرا مربوط به ژن های بیماری های گسترده انسانی است، سرمایه گذاری کند. اینسایت گزارش داده است که در حال حاضر فهرستی از 140000 ژن انسانی دارد که شناسایی کرده است و همچنین بر این تعداد از کل ژن های انسانی اصرار دارد.

بدیهی است که اطلاعات ژنتیکی عجولانه خصوصی سازی شده در سال های آینده به دقت مورد تجزیه و تحلیل و آزمایش قرار خواهند گرفت تا اینکه در نهایت تعداد دقیق ژن ها "متعارف" شود. واقعیت این است که ساختار ژن ها بسیار متنوع است و همه گزینه های ممکن هنوز به طور کامل درک نشده اند. در اینجا توالی نوکلئوتیدی DNA را می خوانیم. مشخص شده است که قادر به رمزگذاری پروتئین است. اما آیا این تنهاست؟ قبلاً در بالا توضیح داده شد که چگونه رونویسی و اصلاحات بعدی RNA و سپس ترجمه و اصلاحات پلی پپتیدها، می‌تواند طیف عظیمی از پروتئین‌های کدگذاری شده توسط یک ناحیه DNA را فراهم کند. و درک این موضوع فقط بر اساس توالی نوکلئوتیدی DNA اغلب به سادگی غیرممکن است. با این وجود، ساختار ژنوم تنها مبنای درک داده‌های به‌دست‌آمده توسط حوزه‌های جدیدی است که توسط ژنومیک به‌عنوان رونوشت‌شناسی (کاوش در کلیت رونوشت‌های RNA بدن)، پروتئومیکس (کاوش کلیت پروتئین‌های بدن)، متابولومیکس (کاوش). متابولیسم - متابولیسم - در بدن). این دستورالعمل‌ها برای تکمیل روش توالی‌یابی ژنومی زیربنایی ژنومیک ساختاری در نظر گرفته شده‌اند تا فرصتی برای فراتر رفتن از وضوح آن فراهم کنند.

در بالا، ما همچنین در مورد اتصال جایگزین صحبت کردیم. در حال حاضر به خوبی شناخته شده است که به دلیل این فرآیند، پروتئین های مختلف را می توان از ژن های یکسان خواند، که سپس با یکدیگر تعامل می کنند و یک مخلوط منحصر به فرد را تشکیل می دهند، درست مانند هزاران سایه که می توان از رنگ های اصلی در نقاشی به دست آورد - زرد. ، قرمز و آبی. چنین پیوندی مشخصه حداقل نیمی از ژن های انسان است. اعتقاد بر این است که به طور متوسط، سه پپتید مختلف می توانند از یک ژن انسانی به دلیل پیوند جایگزین تشکیل شوند. اما برخی از ژن ها دارای حداکثر 10 اگزون با هم متصل هستند که از نظر تئوری بیش از 1000 نوع پروتئین مختلف را تنها در یک ژن امکان پذیر می کند. در حقیقت، تعداد پروتئین‌های مختلف کدگذاری شده توسط یک ژن به 10 می‌رسد. علاوه بر این، پروموترهای جایگزین، کدون‌های شروع ترجمه جایگزین، ویرایش RNA (تبدیل C به U یا A به آنالوگ G - اینوزین) نیز وجود دارد. تمام موارد فوق هنوز نمی تواند در برآورد تعداد کل ژن ها در انسان در نظر گرفته شود.

اما این همه ماجرا نیست. علاوه بر ژن های کد کننده پروتئین، ژن هایی نیز وجود دارند که محصول نهایی آنها RNA است. اجازه دهید ژن های تنظیم کننده ریبو را به یاد بیاوریم - آنها پروتئین ها را کد نمی کنند، بلکه RNA را تولید می کنند که در سلول ها عمل می کند. بنابراین به احتمال زیاد تخمین نهایی تعداد ژن ها در انسان به زودی انجام نخواهد شد.

تا به امروز، دانشمندان عملکرد تنها هشت تا ده هزار مورد از آنها را می دانند. و اطلاعات دقیق در مورد مکانیسم های تنظیم آنها حتی کمیاب تر است. با این وجود، داده های فوق در مورد ساختار و عملکرد ژن های انسانی نشان می دهد که فردی که در طبیعت سلطنت می کند، بر خلاف سایر موجودات موجود در سیاره ما، از پیچیدگی بسیار بالایی برخوردار است. پروتئوم- مجموعه کاملی از پروتئین های کاربردی در یک سلول، که نه صرفاً به دلیل اندازه بزرگ ژنوم یا تعداد زیادی ژن، بلکه به دلیل انواع نوآوری های مربوط به عملکرد ژن ها و تشکیل پروتئین ها ارائه می شود: تعداد بیشتری از ماژول های دامنه، ترکیبات (اختلاط) بالاتر این ماژول ها در پروتئین ها، استفاده فعال از اسپلایسینگ جایگزین و بسیاری موارد دیگر که بعداً به آنها خواهیم پرداخت.

پروژه ژنوم انسانی بلندپروازانه ترین برنامه تحقیقاتی بیولوژیکی در تاریخ علم است. دانش ژنوم انسان کمک ارزشمندی به توسعه پزشکی و زیست شناسی انسان خواهد کرد. مطالعه ژنوم انسان به اندازه دانش آناتومی انسان در گذشته برای بشر ضروری است. این درک در دهه 1980 اتفاق افتاد و منجر به پروژه ژنوم انسانی شد. در سال 1988، بیولوژیست مولکولی و بیوشیمیست برجسته روسی، آکادمیک A. A. Baev (1904-1994) ایده مشابهی را ارائه کرد. از سال 1989، هم در ایالات متحده آمریکا و هم در اتحاد جماهیر شوروی، برنامه های علمی مربوطه در حال انجام است. بعدها، سازمان بین المللی ژنوم انسانی (HUGO) ظهور کرد. سهم روسیه در همکاری های بین المللی در جهان به رسمیت شناخته شده است: 70 محقق روسی اعضای HUGO هستند.

بنابراین، 10 سال از پایان پروژه ژنوم انسانی می گذرد. دلیلی وجود دارد که به یاد بیاوریم چگونه بود ...

در سال 1990 با حمایت وزارت انرژی آمریکا و همچنین بریتانیا، فرانسه، ژاپن، چین و آلمان این پروژه سه میلیارد دلاری راه اندازی شد. به رهبری دکتر فرانسیس کالینز، سر . اهداف پروژه عبارت بودند از:

• شناسایی 20000-25000 ژن DNA
• تعیین توالی 3 میلیارد جفت از پایگاه های شیمیایی که DNA انسان را تشکیل می دهند و ذخیره این اطلاعات در یک پایگاه داده.
• بهبود ابزارهای تجزیه و تحلیل داده ها؛
• معرفی آخرین فناوری ها در زمینه استفاده خصوصی؛
• مطالعه مسائل اخلاقی، حقوقی و اجتماعی ناشی از رمزگشایی ژنوم.

در سال 1998، پروژه مشابهی توسط دکتر کریگ ونتر و شرکتش راه اندازی شد. سلرا ژنومیکس". دکتر ونتر تیم خود را به چالش کشید تا ژنوم انسان را سریعتر و ارزان تر تعیین توالی کنند (بر خلاف پروژه بین المللی 3 میلیارد دلاری، پروژه دکتر ونتر سقف بودجه 300 میلیون دلاری داشت). علاوه بر این، شرکت سلرا ژنومیکس” قرار نبود دسترسی به نتایج خود را باز کند.

در 6 ژوئن 2000، رئیس جمهور ایالات متحده و نخست وزیر بریتانیا اعلام کردند که رمز ژنتیکی انسان را کشف کرده اند و به این ترتیب رقابت به پایان رسید. در واقع، پیش نویس کاری از ژنوم انسان منتشر شد و تا سال 2003 تقریباً به طور کامل رمزگشایی نشد، اگرچه حتی امروز نیز تجزیه و تحلیل اضافی برخی از بخش‌های ژنوم هنوز در حال انجام است.

سپس ذهن دانشمندان با احتمالات خارق العاده هیجان زده شد: داروهای جدیدی که در سطح ژنتیکی عمل می کنند، به این معنی که ایجاد یک "داروی شخصی" که دقیقاً مطابق با خصوصیات ژنتیکی هر فرد باشد، دور از دسترس نیست. البته این نگرانی وجود داشت که جامعه ای وابسته به ژنتیک ایجاد شود که در آن افراد بر اساس DNA خود به طبقات بالا و پایین تقسیم شوند و بر این اساس فرصت های خود را محدود کنند. اما هنوز این امید وجود داشت که این پروژه به اندازه اینترنت سودآور باشد.

و ناگهان همه چیز آرام شد... امیدها به حق نبود... به نظر می رسید 3 میلیارد دلار سرمایه گذاری در این تعهد به باد پرتاب شده است.

نه، نه واقعا. شاید نتایج به‌دست‌آمده به اندازه‌ای که در زمان شروع پروژه انتظار می‌رفت بزرگ نباشد، اما این امکان را فراهم می‌کند که در آینده به موفقیت‌های چشمگیری در زمینه‌های مختلف زیست‌شناسی و پزشکی دست یابیم.

در نتیجه اجرای پروژه ژنوم انسانی، یک بانک باز از کد ژن ایجاد شد. در دسترس بودن عمومی اطلاعات دریافتی به بسیاری از محققان این امکان را داده است که کار خود را سرعت بخشند. F. Collins مثال زیر را به عنوان مثال ذکر کرد: "جستجو برای ژن انحطاط فیبروکیستیک در سال 1989 با موفقیت به پایان رسید، که نتیجه چندین سال تحقیق در آزمایشگاه من و چندین آزمایشگاه دیگر بود و حدود 50 میلیون دلار برای ایالات متحده هزینه داشت. اکنون این کار توسط یک فارغ التحصیل باهوش دانشگاه در چند روز انجام می شود، و تنها چیزی که او نیاز دارد اینترنت، چند معرف ارزان قیمت، یک دستگاه ترمال سیکلینگ برای افزایش ویژگی بخش های DNA و دسترسی به یک توالی سنجی DNA است که می خواند. آن را از سیگنال های نوری

یکی دیگر از نتایج مهم این پروژه اضافه شدن تاریخ بشر است. پیش از این، تمام داده‌های مربوط به تکامل از یافته‌های باستان‌شناسی جمع‌آوری می‌شد و رمزگشایی کد ژن نه تنها تأیید نظریه‌های باستان‌شناسان را امکان‌پذیر کرد، بلکه در آینده امکان شناخت دقیق‌تر تاریخچه تکامل هر دو را فراهم می‌کند. انسان و موجودات زنده به طور کلی انتظار می‌رود که تجزیه و تحلیل شباهت‌ها در توالی‌های DNA موجودات مختلف، راه‌های جدیدی را در مطالعه نظریه تکامل باز کند، و در بسیاری از موارد اکنون می‌توان پرسش‌های تکامل را از نظر زیست‌شناسی مولکولی مطرح کرد. نقاط عطف مهمی در تاریخ تکامل مانند ظهور ریبوزوم و اندامک ها، رشد جنین، سیستم ایمنی مهره داران را می توان در سطح مولکولی ردیابی کرد. انتظار می رود که این سؤالات بسیاری را در مورد شباهت ها و تفاوت های بین انسان ها و نزدیک ترین خویشاوندان ما روشن کند: نخستی ها، نئاندرتال ها (که کد ژنی آنها اخیراً از 1.3 میلیارد قطعه که هزاران سال تجزیه شده و به ژنتیک آلوده شده اند بازسازی شده است. آثار باستان شناسانی که بقایای این موجود را در اختیار داشتند) و همچنین تمام پستانداران و پاسخ به این سؤالات: چه ژنی ما را می سازد انسان خردمندچه ژن هایی مسئول استعدادهای شگفت انگیز ما هستند؟ بنابراین، با درک چگونگی خواندن اطلاعات در مورد ما در کد ژن، می‌توانیم یاد بگیریم که چگونه ژن‌ها بر ویژگی‌های فیزیکی و روانی و حتی رفتار ما تأثیر می‌گذارند. شاید در آینده، با نگاهی به کد ژنتیکی، نه تنها بتوان پیش بینی کرد که فرد چگونه به نظر می رسد، بلکه به عنوان مثال، آیا استعداد بازیگری دارد یا خیر. اگرچه، البته، هرگز نمی توان این را با دقت 100٪ تعیین کرد.

علاوه بر این، مقایسه بین گونه ها نشان می دهد که چگونه یک گونه با گونه دیگر متفاوت است، چگونه آنها در درخت تکاملی از هم جدا شده اند. مقایسه بین جمعیتی چگونگی تکامل این گونه را نشان خواهد داد. مقایسه DNA تک تک افراد در یک جمعیت نشان می دهد که چه چیزی تفاوت بین افراد یک گونه، یک جمعیت را توضیح می دهد. در نهایت، مقایسه DNA سلول‌های مختلف در یک ارگانیسم به درک چگونگی تمایز بافت‌ها، نحوه رشد و مشکلات بیماری‌هایی مانند سرطان کمک می‌کند.

اندکی پس از رمزگشایی بیشتر کدهای ژنتیکی در سال 2003، دانشمندان دریافتند که ژن‌های بسیار کمتری نسبت به آنچه انتظار داشتند وجود دارد، اما متعاقباً برعکس آن را دریافتند. به طور سنتی، یک ژن به عنوان بخشی از DNA که یک پروتئین را کد می کند، تعریف می شود. با این حال، با رمزگشایی کد ژن، دانشمندان دریافتند که 98.5٪ از بخش های DNA برای پروتئین ها کد نمی کنند و این بخش از DNA را "بی فایده" نامیدند. و معلوم شد که این 98.5 درصد بخش‌های DNA تقریباً مهم‌تر هستند: این بخش از DNA است که مسئول عملکرد آن است. به عنوان مثال، بخش‌های خاصی از DNA حاوی دستورالعمل‌هایی برای ساخت مولکول‌های DNA مانند اما غیر پروتئینی، به اصطلاح RNA‌های دو رشته‌ای هستند. این مولکول ها بخشی از مکانیسم ژنتیکی مولکولی هستند که فعالیت ژن (تداخل RNA) را کنترل می کند. برخی از RNA های دو رشته ای می توانند با تداخل در سنتز محصولات پروتئینی خود، ژن ها را سرکوب کنند. بنابراین، اگر این قطعات DNA نیز ژن در نظر گرفته شوند، تعداد آنها دو برابر خواهد شد. در نتیجه این مطالعه، مفهوم ژن ها تغییر کرده است و اکنون دانشمندان معتقدند که یک ژن واحدی از وراثت است که نمی توان آن را فقط به عنوان بخشی از DNA که پروتئین ها را کد می کند، درک کرد.

می توان گفت که ترکیب شیمیایی یک سلول "سخت" آن است و اطلاعات رمزگذاری شده در DNA یک "نرم افزار" از پیش بارگذاری شده است. هیچ کس قبلاً تصور نمی کرد که یک سلول چیزی بیش از مجموعه ای از اجزای تشکیل دهنده است و اطلاعات رمزگذاری شده در DNA برای ساختن آن کافی نیست، که به اندازه فرآیند خودتنظیمی ژنوم مهم است - هر دو توسط ارتباط بین ژن های همسایه و با تأثیر بر مولکول های دیگر در سلول.

دسترسی آزاد به اطلاعات امکان ترکیب تجربیات پزشکان، اطلاعات در مورد موارد پاتولوژیک، نتایج چندین سال مطالعه افراد را فراهم می کند و بنابراین می توان اطلاعات ژنتیکی را با داده های مربوط به آناتومی، فیزیولوژی و رفتار انسانی مرتبط کرد. و در حال حاضر این می تواند به تشخیص پزشکی بهتر و پیشرفت در درمان منجر شود.

به عنوان مثال، محققی که در حال مطالعه شکل خاصی از سرطان است، ممکن است بتواند جستجو را به یک ژن محدود کند. با بررسی داده های خود در برابر پایگاه داده باز ژنوم انسان، او می تواند آنچه را که دیگران درباره این ژن نوشته اند، از جمله ساختار سه بعدی (بالقوه) پروتئین مشتق شده آن، عملکردهای آن، رابطه تکاملی آن با سایر ژن های انسانی یا با ژن‌های موش، مخمر یا مگس‌های میوه، جهش‌های مضر احتمالی، ارتباط با ژن‌های دیگر، بافت‌های بدن که ژن در آنها فعال می‌شود، بیماری‌های مرتبط با آن ژن یا داده‌های دیگر.

علاوه بر این، درک سیر بیماری در سطح زیست شناسی مولکولی امکان ایجاد روش های درمانی جدید را فراهم می کند. با توجه به اینکه DNA نقش بسیار زیادی در زیست شناسی مولکولی ایفا می کند و همچنین اهمیت محوری آن در عملکرد و اصول سلول های زنده، تعمیق دانش در این زمینه راه را برای درمان ها و اکتشافات جدید در زمینه های مختلف پزشکی هموار می کند.

در نهایت، "پزشکی شخصی" اکنون به نظر می رسد یک کار واقعی تر است. دکتر ویلز ابراز امیدواری کرد که درمان بیماری ها با جایگزینی DNA آسیب دیده با DNA طبیعی در دهه آینده امکان پذیر شود. اکنون مشکلی که مانع توسعه چنین روش درمانی می شود این است که دانشمندان نمی دانند چگونه ژن را به سلول برسانند. تاکنون تنها روش شناخته شده زایمان، آلوده کردن حیوان به ویروسی با ژن های لازم است، اما این یک گزینه خطرناک است. با این حال، دکتر ویلز پیشنهاد می کند که به زودی پیشرفتی در این مسیر حاصل خواهد شد.

امروزه روش‌های ساده‌ای برای انجام آزمایش‌های ژنتیکی وجود دارد که می‌تواند استعداد ابتلا به بیماری‌های مختلف از جمله سرطان سینه، اختلالات خونریزی، فیبروز کیستیک، بیماری کبد و غیره را نشان دهد. بیماری‌هایی مانند سرطان، بیماری آلزایمر، دیابت، نه با جهش های مشترک برای همه، بلکه با تعداد زیادی جهش نادر و تقریباً فردی (و نه در یک ژن، بلکه در چندین ژن؛ به عنوان مثال، دیستروفی عضلانی Charcot-Marie-Tooth می تواند توسط جهش 39 ژن ایجاد شود)، در نتیجه تشخیص این بیماری ها و اثرات داروها دشوار است. این کشف است که یکی از موانع "پزشکی شخصی" است، زیرا با خواندن کد ژنتیکی یک فرد، هنوز نمی توان به طور دقیق وضعیت سلامتی او را تعیین کرد. با بررسی کدهای ژنی افراد مختلف، دانشمندان از نتیجه ناامید شدند. حدود 2000 بخش از DNA انسان از نظر آماری به عنوان "دردناک" طبقه بندی شدند، که در عین حال همیشه به ژن های فعال تعلق نداشتند، یعنی تهدیدی ایجاد نمی کردند. به نظر می رسد که تکامل از شر جهش های بیماری زا قبل از رایج شدن خلاص می شود.

در حین انجام تحقیقات، گروهی از دانشمندان در سیاتل دریافتند که از کل کد ژنتیکی انسان، تنها 60 ژن در هر نسل دچار جهش خود به خودی می شوند. در این صورت ژن های جهش یافته می توانند باعث بیماری های مختلفی شوند. بنابراین، اگر هر یک از والدین یک ژن "فاسد" و یک "فاسد نشده" داشته باشند، ممکن است بیماری در کودکان خود را نشان ندهد یا در صورت دریافت یک ژن "فاسد" و یک "فاسد نشده" خود را به شکل بسیار ضعیف نشان دهد. اما اگر یک کودک هر دو ژن "فاسد" را به ارث ببرد، می تواند منجر به بیماری شود. علاوه بر این، دانشمندان با درک اینکه بیماری های انسانی ناشی از جهش های فردی است، به این نتیجه رسیدند که مطالعه کل ژنوم انسان و نه بخش های فردی آن ضروری است.

علیرغم تمام مشکلات، اولین داروهای ژنتیکی علیه سرطان در حال حاضر ساخته شده است که اثرات ناهنجاری های ژنتیکی را که منجر به رشد تومورها می شود، مسدود می کند. همچنین اخیراً داروی این شرکت را تأیید کرده است. آمگن» از پوکی استخوان، که بر اساس این واقعیت است که این بیماری ناشی از بیش فعالی یک ژن خاص است. آخرین دستاورد آنالیز مایعات بدن برای وجود جهش در یک ژن خاص برای تشخیص سرطان روده بزرگ است. چنین آزمایشی افراد را از روش ناخوشایند کولونوسکوپی نجات می دهد.

بنابراین، زیست شناسی معمول از بین رفته است، ساعت عصر جدیدی از علم فرا رسیده است: زیست شناسی پس از ژنوم. ایده حیات گرایی را کاملاً از بین برد، و اگرچه هیچ زیست شناس بیش از یک قرن به آن اعتقاد نداشت، زیست شناسی جدید نیز جایی برای ارواح باقی نگذاشت.

نه تنها بینش فکری نقش مهمی در علم دارد. پیشرفت های فنی مانند تلسکوپ در نجوم، میکروسکوپ در زیست شناسی، طیف سنجی در شیمی منجر به اکتشافات غیرمنتظره و قابل توجهی می شود. یک انقلاب مشابه در ژنومیک اکنون توسط کامپیوترهای قدرتمند و اطلاعات موجود در DNA انجام می شود.

قانون مور می گوید که کامپیوترها تقریباً هر دو سال یک بار قدرت خود را دو برابر می کنند. بنابراین، در طول دهه گذشته، ظرفیت آنها بیش از 30 برابر با قیمتی دائما کاهش یافته است. ژنومیکس هنوز نامی برای قانون مشابه ندارد، اما باید آن را قانون اریک لندر نامید - پس از نام سر. موسسه گسترده (کمبریج, ماساچوست، بزرگترین مرکز آمریکایی که به رمزگشایی DNA اختصاص دارد). او محاسبه کرد که در مقایسه با دهه گذشته، هزینه رمزگشایی DNA صدها هزار دلار کاهش یافته است. هنگام تعیین توالی ژنوم در کنسرسیوم بین المللی توالی ژنوم انسانیاز روشی که در سال 1975 توسط F. Sanger ابداع شد، استفاده کرد که 13 سال طول کشید و 3 میلیارد دلار هزینه داشت. این بدان معنی است که فقط شرکت ها یا مراکز قدرتمند برای مطالعه توالی ژنتیکی می توانند رمز ژنتیکی را رمزگشایی کنند. اکنون با استفاده از جدیدترین دستگاه های رمزگشایی شرکت " ایلومینا» ( سن دیگو, کالیفرنیا) ژنوم انسان را می توان در 8 روز خواند و حدود 10 هزار دلار هزینه دارد اما این محدودیت نیست. یک شرکت کالیفرنیایی دیگر، صلح جو علوم زیستی" واز منلو پارک، راه هایی برای خواندن ژنوم تنها از یک مولکول DNA ایجاد کرده است. کاملاً ممکن است که به زودی رمزگشایی ژنوم 15 دقیقه طول بکشد و هزینه ای کمتر از 1000 دلار داشته باشد. فناوری‌های نانوپور آکسفورد »(بریتانیای کبیر). در گذشته، شرکت‌ها از آرایه‌های کاوشگر DNA (تراشه‌های DNA) استفاده می‌کردند و به دنبال نمادهای ژنتیکی خاصی بودند - SNP. اکنون چندین ده نماد از این قبیل شناخته شده است، اما دلیلی وجود دارد که باور کنیم در بین سه میلیارد "حرف" کد ژنتیکی، تعداد بیشتری از آنها وجود دارد.

تا همین اواخر، تنها چند کد ژنی به طور کامل رمزگشایی شده بودند (در پروژه ژنوم انسانی، قطعاتی از کد ژنی بسیاری از افراد استفاده می شد و سپس در یک کل واحد جمع آوری می شد). از جمله کدهای ژنی K. Venter، J. Watson، Dr. St. زمین لرزه، دو کره ای، یک چینی، یک آفریقایی و همچنین یک بیمار مبتلا به سرطان خون که اکنون تشخیص ملیت او دشوار است. اکنون با بهبود تدریجی تکنیک خواندن توالی های ژنی، رمزگشایی کد ژنی افراد بیشتر و بیشتری امکان پذیر خواهد شد. در آینده، هر کسی می‌تواند کد ژنی خود را بخواند.

علاوه بر هزینه رمزگشایی، دقت آن یک شاخص مهم است. بیش از یک خطا در هر 10000 تا 100000 کاراکتر به عنوان یک سطح قابل قبول در نظر گرفته نمی شود. در حال حاضر سطح دقت در سطح 1 خطا در 20000 کاراکتر است.

در حال حاضر، در ایالات متحده در مورد ثبت اختراع ژن های "رمزگشایی" اختلافاتی وجود دارد. با این حال، بسیاری از محققان بر این باورند که ثبت اختراع ژن ها به مانعی در راه توسعه علم تبدیل خواهد شد. وظیفه استراتژیک اصلی آینده به شرح زیر است: مطالعه تغییرات DNA تک نوکلئوتیدی در اندام‌ها و سلول‌های مختلف افراد و شناسایی تفاوت‌های بین افراد. تجزیه و تحلیل چنین تغییراتی نه تنها امکان نزدیک شدن به ایجاد "پرتره" ژن فردی افراد را فراهم می کند، که به ویژه امکان درمان بهتر بیماری ها را فراهم می کند، بلکه شناسایی تفاوت بین جمعیت ها، شناسایی مناطق جغرافیایی افزایش خطر "ژنتیکی"، که به ارائه توصیه های واضح در مورد نیاز به پاکسازی مناطق از آلودگی و شناسایی صنایعی که در آنها خطر آسیب به ژنوم پرسنل بالا است، کمک می کند.

SNP یک نماد ژنتیکی واحد است که از فردی به فرد دیگر متفاوت است. توسط کارشناسان افتتاح شد پروژه بین المللی HapMapمطالعه جهش کد ژنی به عنوان پلی مورفیسم تک نوکلئوتیدی. هدف از پروژه نقشه برداری از مناطق DNA که برای گروه های قومی مختلف متفاوت است، یافتن آسیب پذیری این گروه ها در برابر بیماری های خاص و امکان غلبه بر آنها بود. این مطالعات همچنین ممکن است نشان دهد که چگونه جمعیت های انسانی با بیماری های مختلف سازگار شده اند.

مقدمه……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….

1. چند ژن در بدن انسان وجود دارد؟…………………………………………

2. پروژه "ژنوم انسان"…………. ……………………………………………7

3. نتایج پروژه "ژنوم انسان"………………………………………….12

نتیجه گیری…………………………………………………………………………………………………………………………………

مراجع…………………………………………………………………………….. 19

مقدمه

اما ابتدا اتاق‌ها را مرتب کنید، پنجره‌ها را بشویید، زمین را پاک کنید، آشپزخانه را سفید کنید، تخت‌ها را پاک کنید، هفت بوته رز زیر پنجره‌ها بکارید، هفت کیسه لوبیا را مرتب کنید: سفیدی را از قهوه‌ای جدا کنید. ، خودت را بشناس..."

E.L. شوارتز "سیندرلا"

احتمالاً سخت ترین چیز برای سیندرلا در وظایف نامادری شرور و موذی این بود: "خودت را بشناس!" همه چیز دشوار است، اما قابل درک است - اقدامات آشنا هستند، شما نیازی به اختراع چیزی ندارید، فقط ادامه دهید ... و این به چه معناست: "خودت را بشناس"؟ وقتی در حال چیدن لوبیا هستید، بدانید چگونه حرکت می کنید، فکر می کنید یا نفس می کشید؟ یا شاید اولین قدم برای درک واقعی یک شخص این باشد که بفهمیم او چگونه همنوع خود را بازتولید می کند؟

هنگامی که چندین دانشمند آمریکایی در سال های 1986-1987 شروع به متقاعد کردن گستاخانه ای رهبران وزارت انرژی ایالات متحده کردند تا چندین میلیارد دلار برای یک پروژه خارق العاده اختصاص دهند: شناخت ساختار همه ژن های انسانی - این گام درستی برای شناخت خودمان بود. با آموختن ساختار ژن‌ها، می‌توان به درک واقعی فرآیندهای تفکر و پاسخ به محرک‌هایی که از محیط می‌آیند و غیره تهاجم کرد. به محض اعلام این پروژه که "ژنوم انسان" نام داشت، عذاب های جدیدی آغاز شد: بسیاری از مردم در سراسر جهان، و نه فقط مردم عادی، بلکه اساتید و روسای موسسات، شروع به انتقاد شدید از آن کردند و آن را "افسانه" خواندند. ، غیر واقعی و به سادگی احمقانه است. این وجوه سرمایه گذاری شده را توجیه نمی کند، آنقدر تلاش می خواهد که همه دانشمندان، با رها کردن چیزهای دیگر، نتوانند با آن کنار بیایند، و غیره. برای شروع خیلی زود است، این کارشناسان مدام می گفتند، علم برای حل چنین مشکلاتی آماده نیست، توانایی های فنی ایجاد نشده است، بهتر است از همان ابتدا جلوی داستان های مضحک را بگیرید و پول را در پروژه های واقعا واقعی بگذارید.

اگر متخصصان فیزیک هسته ای یا شیمی فیزیک بر این امر اصرار می کردند، قابل درک بود، زیرا به دلیل "ژنوم انسان" پروژه های گران دیگر، در درجه اول در زمینه فیزیک، به حالت تعلیق درآمدند. اما صدای زیست شناسان، به ویژه از اروپای غربی و اتحاد جماهیر شوروی، نیز در گروه کر اعتراضات برجسته شد. درست است، دانشمندان دیگری در اتحاد جماهیر شوروی وجود داشتند، به ویژه، آکادمیک A.A. Baev که بلافاصله تلاش کرد تا در پروژه بین المللی شرکت کند و بیشترین بهره را از آن ببرد.

زمانی که این پروژه برای اولین بار کار خود را آغاز کرد، به نظر می رسید که تکمیل آن حداقل 20 سال طول می کشد. با این حال، در سال 2000، ژنوم انسان با تلاش دانشمندان در سراسر جهان خوانده شد. می توان آن را با کتابی تشبیه کرد که دارای یک دنباله از شخصیت های 800 برابر طولانی تر از کتاب مقدس است، اما معنای بیشتر "جملات" در متن کتاب هنوز برای ما روشن نیست و باید رمزگشایی شود. برای چندین سال دیگر هرچه بتوان متن ژنوم ما را بیشتر کشف کرد، فرصت‌های بیشتری برای پیشگیری و درمان بیماری‌های ارثی، از جمله بیماری‌هایی که بر حوزه روانی انسان تأثیر می‌گذارند، پدیدار خواهد شد.

چند ژن در بدن انسان وجود دارد؟

اساس مولکولی ژنوم انسان، مولکول DNA است - معروف "رشته زندگی"، یک مدل دو رشته ای از ساختار، که به طرز درخشانی در کار جیمز واتسون و فرانسیس کریک برندگان جایزه نوبل در سال 1953 پیش بینی و اثبات شد. مارپیچ از 4 جفت باز (نوکلئوتید) تشکیل شده است. دو پورین (آدنین، گوانین) و دو پیریمیدین (تامین و سیتوزین) که از طریق پسماندهای دئوکسی ریبوز و اسید فسفریک به یک رشته طولانی متصل هستند. این دو رشته بوسیله پیوندهای هیدروژنی نوکلئوتیدهای خود به یکدیگر متصل می شوند و به گونه ای که آدنین همیشه به تیمین و گوانین همیشه به سیتوزین متصل است. بعداً مشخص شد که در تناوب جفت‌های باز در DNA بود که کد ژنتیکی برای هر یک از 20 اسید آمینه تعیین شد و معلوم شد که این کد سه حرفی است، یعنی هر اسید آمینه خاص خود را دارد. سه نوکلئوتید، سه گانه خودش. همچنین مشخص شد که در هر سلول انسانی طول مولکول DNA حدود 1.5-2 متر است و تعداد نوکلئوتیدهایی که این "رشته حیات" منحصر به فرد را تشکیل می دهند به 3.3 میلیارد می رسد. تکه‌های این رشته چیزی را می‌سازد که ژن نامیده می‌شود، یعنی بخش‌های کدکننده ژنوم که ساختار همه پروتئین‌های بدن را تعیین می‌کنند. بنابراین، به طور طبیعی، داده های دقیق در مورد ساختار ژنوم انسان، یعنی. در مورد توالی اولیه نوکلئوتیدهای آن، و همچنین داده‌های مربوط به همه ژن‌های انسانی، مدت‌هاست که توجه زیست‌شناسان را به خود جلب کرده و همچنان به خود جلب می‌کند.

چگونه 3 میلیارد پایه را تجسم کنیم؟ برای بازتولید اطلاعات موجود در DNA یک سلول، حتی در کوچکترین چاپ (مثل دایرکتوری های تلفن) هزار کتاب 1000 صفحه ای لازم است. چند ژن، یعنی توالی نوکلئوتیدهای کدکننده پروتئین، در DNA انسان وجود دارد؟ سه سال پیش اعتقاد بر این بود که حدود 100 هزار ژن وجود دارد، سپس آنها تصمیم گرفتند که بیش از 80 هزار نفر نباشد، در پایان سال 1998 به این نتیجه رسیدند که 50-60 هزار ژن در ژنوم انسان وجود دارد. آنها تنها 3 درصد از طول کل DNA را تشکیل می دهند. نقش 97 درصد باقی مانده هنوز مشخص نیست.

پروژه ژنوم انسان

پروتئین ها وظایف مختلفی را در بدن انجام می دهند. به عنوان آنزیم، آنها به عنوان کاتالیزور برای واکنش های شیمیایی عمل می کنند. در نقش هورمون ها، همراه با سیستم عصبی، با ارسال سیگنال های شیمیایی، کار اندام های مختلف را کنترل می کنند. پروتئین ها در بدن هم به عنوان ماده ساختمانی (مثلاً در بافت ماهیچه ای) و هم به عنوان وسیله نقلیه (هموگلوبین خون، اکسیژن را حمل می کند) استفاده می شود.

دامنه سنتز پروتئین در سلول بسیار زیاد است. ژنوم انسان (مجموعه ای از توالی های DNA که فردیت ژنتیکی یک فرد را تعیین می کند) حاوی حدود 6 میلیارد نوکلئوتید است که از آنها تقریباً 100000 ژن تشکیل می شود که اندازه آنها از 1000 تا 2 میلیون جفت نوکلئوتید متغیر است.

توصیف تمامی ژن های انسان و رمزگشایی توالی های DNA مربوطه، وظیفه اصلی پروژه تحقیقاتی بین المللی "ژنوم انسان" است که بزرگترین پروژه ژنتیکی در جهان است. به لطف تلاش بسیاری از آزمایشگاه های ژنتیک در جهان، دانشمندان شرح کاملی از ژنوم انسان را در اختیار خواهند داشت.

هدف از این پروژه کشف توالی پایگاه های نیتروژنی و موقعیت ژن ها (نقشه برداری) در هر مولکول DNA هر سلول انسانی است که علل بیماری های ارثی و راه های درمان آنها را آشکار می کند. این پروژه هزاران متخصص را از سراسر جهان استخدام می کند: زیست شناسان، شیمی دانان، ریاضیدانان، فیزیکدانان و تکنسین ها. این یکی از گران ترین پروژه های علمی تاریخ است. در سال 1990، 60 میلیون دلار برای آن هزینه شده است، در سال 1991 - 135 میلیون، در سال 1992-1995. - از 165 تا 187 میلیون در سال و در سال 1996-1998. ایالات متحده به تنهایی 200، 225 و 253 میلیون دلار هزینه کرده است.

علاقه به نتایج به دست آمده از قبل بسیار زیاد است: بیشترین استناد نویسندگان در سال 1998 (نه تنها در ژنتیک یا زیست شناسی، بلکه در تمام زمینه های علمی) مارک آدامز و کریگ ونتر از موسسه تحقیقات ژنوم در مریلند (ایالات متحده آمریکا) هستند - یک نویسنده خصوصی. این شرکت فقط درگیر تهیه "نقشه های ژن" است.

نقاط عطف پروژه

این پروژه شامل پنج مرحله اصلی است:

1. ترسیم نقشه ای که بر روی آن ژن ها مشخص شده اند که بیش از 2 میلیون پایه از یکدیگر جدا نشده اند، به زبان متخصصان با وضوح 2 Mb (Megabase - از کلمه انگلیسی "base" - base).

2. تکمیل نقشه های فیزیکی هر کروموزوم با وضوح 0.1 Mb.

3. به دست آوردن نقشه ای از کل ژنوم در قالب مجموعه ای از کلون ها به طور جداگانه شرح داده شده است (0.005 Mb).

4. تا سال 2004، توالی یابی کامل DNA (با وضوح 1).

5. نقشه برداری با وضوح 1 گیگابایت از اساس همه ژن های انسان (تا سال 2005). هنگامی که این مراحل تکمیل شد، محققان تمام عملکردهای ژن ها و همچنین کاربردهای بیولوژیکی و پزشکی نتایج را تعیین خواهند کرد.

سه کارت

در طول پروژه، سه نوع نقشه کروموزوم ایجاد می شود: ژنتیکی، فیزیکی و توالی (از دنباله انگلیسی - sequence). شناسایی تمام ژن های موجود در ژنوم و تعیین فاصله بین آنها به معنای محلی سازی هر ژن در کروموزوم ها است. چنین نقشه‌های ژنتیکی، علاوه بر فهرست‌بندی ژن‌ها و نشان دادن موقعیت آنها، به این سوال بسیار مهم پاسخ می‌دهند که چگونه ژن‌ها ویژگی‌های خاصی از یک موجود زنده را تعیین می‌کنند. از این گذشته، بسیاری از علائم به چندین ژن بستگی دارد که اغلب در کروموزوم های مختلف قرار دارند و دانستن موقعیت هر یک از آنها به ما این امکان را می دهد که بفهمیم چگونه تمایز (تخصص) سلول ها، اندام ها و بافت ها رخ می دهد و همچنین درمان ژنتیکی را با موفقیت بیشتری انجام دهیم. بیماری ها در دهه‌های 1920 و 1930، زمانی که نظریه کروموزوم وراثت در حال ایجاد بود، توضیح موقعیت هر ژن منجر به این واقعیت شد که در نقشه‌های ژنتیکی، ابتدا مگس سرکه و سپس ذرت و تعدادی از گونه‌های دیگر، مشخص شد. ممکن است برای علامت گذاری نقاط خاص، همانطور که آنها سپس گفتند، "نشانگرهای ژنتیکی "کروموزوم ها. تجزیه و تحلیل موقعیت آنها در کروموزوم ها به ارائه نقشه های ژنتیکی کروموزوم های انسانی با اطلاعات جدید کمک کرد. اولین داده ها در مورد موقعیت ژن های فردی در اوایل دهه 1960 ظاهر شد. از آن زمان، آنها مانند بهمن تکثیر شدند و اکنون موقعیت ده ها هزار ژن مشخص است. سه سال پیش، وضوح نقشه ژنتیکی 10 مگابایت بود (برای برخی از سایت ها - حتی 5 مگابایت).

یکی دیگر از تحقیقات، تهیه نقشه های فیزیکی کروموزوم ها است. در اوایل دهه 1960، سیتوژنتیک ها شروع به رنگ آمیزی کروموزوم ها کردند تا نوارهای عرضی خاصی را روی آنها آشکار کنند. پس از رنگ آمیزی، نوارها در زیر میکروسکوپ قابل مشاهده بودند. ارتباطی بین نوارها و ژن ها برقرار شد که امکان مطالعه کروموزوم ها را به روشی جدید فراهم کرد. بعداً آنها یاد گرفتند که مولکول‌های DNA را "برچسب" کنند (با برچسب‌های رادیواکتیو یا فلورسنت) و چسبندگی این برچسب‌ها به کروموزوم‌ها را نظارت کنند که به طور قابل توجهی وضوح ساختار آنها را افزایش داد: تا 2 مگابایت و سپس تا 0.1 مگابایت (در طول سلول). تقسیم). در دهه 70، آنها یاد گرفتند که DNA را به بخش هایی با آنزیم های "محدود" "برش دهند" که بخش های کوتاهی از DNA را که در آن اطلاعات به شکل پالیندروم ثبت می شود، تشخیص می دهد - ترکیب ها از ابتدا تا انتها و از انتها به ابتدا یکسان خوانده می شوند. . بنابراین نقشه های "محدودیت" کروموزوم ها وجود داشت. استفاده از روش ها و وسایل مدرن فیزیکی و شیمیایی، وضوح نقشه های فیزیکی را صدها بار بهبود بخشیده است.

در نهایت، توسعه روش های توالی یابی (مطالعه توالی های دقیق نوکلئوتیدها در DNA) راه را برای ایجاد نقشه های توالی با رکورد وضوح برای امروز باز کرده است (این نقشه ها موقعیت همه نوکلئوتیدها در DNA را نشان خواهند داد).

دو رویکرد

تعداد کروموزوم ها و طول آنها در گونه های مختلف بیولوژیکی متفاوت است. باکتری ها فقط یک کروموزوم دارند. بنابراین اندازه ژنوم باکتری Mycoplasma genitalium 0.58 مگابایت (شامل 470 ژن است)، باکتری اشریشیا کلی دارای 4200 ژن (4.2 مگابایت) در ژنوم و گیاه Arabidopsis thaliana دارای 25 هزار ژن (100 مگابایت) است. مگس میوه مگس سرکه مگس سرکه دارای 10000 ژن (120 مگابایت) است. DNA موش و انسان حاوی 50-60 هزار ژن (3000 مگابایت) است. البته روش‌های مشابه برای نقشه‌برداری چنین اشیاء متفاوتی قابل استفاده نیستند، بنابراین از دو رویکرد استفاده می‌کنند که در روش‌شناسی متفاوت هستند. در اول، DNA به قطعات کوچک تقسیم می شود و با مطالعه جداگانه آنها، کل ساختار را بازسازی می کند.این رویکرد در تهیه نقشه های نسبتا ساده موفق بوده است. برای ژنوم های پیچیده تر، رویکرد دوم کارآمدتر است. در این موارد، غیر منطقی است که مولکول DNA را به قطعات کوتاهی که برای مطالعه دقیق مناسب است، تقسیم کنیم. تعداد آنها به قدری زیاد است که سردرگمی در سکانس ها غیر قابل حل خواهد بود. بنابراین، هنگام شروع رمزگشایی، مولکول، برعکس، تا حد امکان به قطعات طولانی تقسیم می شود و به امید یافتن بخش های انتهایی مشترک مقایسه می شود. در صورت موفقیت آمیز بودن، قطعات با هم ترکیب می شوند و پس از آن این روش تکرار می شود. با بهبود رایانه ها و روش های ریاضی پردازش اطلاعات، قطعات ترکیب شده بر اساس این اصل بزرگتر می شوند و به تدریج به کل مولکول نزدیک می شوند. این رویکرد، به ویژه، ترسیم نقشه ژنتیکی کروموزوم سوم مگس سرکه را ممکن ساخت.

گنجینه ای از فناوری های جدید

یکی از جنبه های مهم پروژه ژنوم انسانی، توسعه روش های تحقیقاتی جدید است. حتی قبل از شروع پروژه، تعدادی از روش‌های بسیار مؤثر مطالعات سیتوژنتیک توسعه داده شد (اکنون آنها را روش‌های نسل اول می‌نامند). از جمله: ایجاد و کاربرد آنزیم های محدود کننده مذکور. به دست آوردن مولکول های هیبریدی، شبیه سازی آنها و انتقال بخش های DNA با استفاده از وکتورها به سلول های دهنده (اغلب - E. coli یا مخمر). سنتز DNA بر روی ماتریس های RNA پیام رسان توالی یابی ژن کپی کردن ژن ها با استفاده از دستگاه های خاص روش‌هایی برای تجزیه و تحلیل و طبقه‌بندی مولکول‌های DNA بر اساس چگالی، جرم، ساختار.

در 5-4 سال گذشته، به لطف پروژه ژنوم انسانی، روش های جدیدی (روش های نسل دوم) توسعه یافته است که در آن تقریباً تمام فرآیندها کاملاً خودکار هستند. چرا این جهت محوری شده است؟ کوچکترین کروموزوم سلولهای انسانی حاوی 50 مگابایت DNA و بزرگترین کروموزوم (کروموزوم 1) حاوی 250 مگابایت است. تا سال 1996، بزرگترین قطعه DNA جدا شده از کروموزوم ها با استفاده از معرف ها 0.35 مگابایت طول داشت و در بهترین تجهیزات، ساختار آنها با نرخ 0.05-0.1 مگابایت در سال با هزینه 1-2 دلار برای هر پایه رمزگشایی می شد. به عبارت دیگر، این کار به تنهایی حدود 30000 روز (تقریباً یک قرن) و 3 میلیارد دلار طول می کشد.

بهبودهای فناوری تا سال 1998 عملکرد را به 0.1 مگابایت در روز (36.5 مگابایت در سال) افزایش داد و هزینه را به 0.5 دلار در هر پایه کاهش داد. استفاده از دستگاه‌های الکترومکانیکی جدید، که علاوه بر این، معرف‌های کمتری مصرف می‌کنند، این امکان را در سال 1999 فراهم می‌کند که سرعت کار را 5 برابر دیگر افزایش دهد (تا سال 2003 برنامه‌ریزی شده است سرعت رمزگشایی به 500 مگابایت در سال افزایش یابد) و هزینه را کاهش دهد. به 0.25 دلار در هر پایه (حتی ارزان تر برای DNA انسان).

©2015-2019 سایت
تمامی حقوق متعلق به نویسندگان آنها می باشد. این سایت ادعای نویسندگی ندارد، اما استفاده رایگان را فراهم می کند.
تاریخ ایجاد صفحه: 2016-02-12