Az élet megfejtve. Az egyik biológiai faj teljes genomját megtalálták egy másikban.A legfontosabb a megfelelő szülők kiválasztása

A DNS szerkezetének felfedezésének 50. évfordulójára

A.V. Zelenin

NÖVÉNYGENÓM

A. V. Zelenin

Zelenin Alekszandr Vladimirovics- a biológiai tudományok doktora,
elnevezett Molekuláris Biológiai Intézet laboratóriumának vezetője. V.A. Engelhardt RAS.

A Human Genome program lenyűgöző eredményei, valamint az úgynevezett ultra-kis (vírusok), kisméretű (baktériumok, élesztőgombák) és közepes méretű (orsóféreg, Drosophila) genomok megfejtésére irányuló munka sikerei lehetővé tették a áttérni a nagy és extranagy növényi genomok nagyszabású vizsgálatára. A gazdaságilag legfontosabb növények genomjának részletes tanulmányozásának sürgető szükségességét hangsúlyozták az 1997-ben az USA-ban tartott növénygenomikai értekezleten [,]. Az azóta eltelt évek során kétségtelenül sikereket értek el ezen a területen. 2000-ben publikáció jelent meg a kis mustár - Arabidopsis - genomjának teljes szekvenálásáról (az összes nukleáris DNS lineáris nukleotidszekvenciájának megállapítása), 2001-ben pedig a rizs genomjának előzetes (tervezet) szekvenálásáról. A nagy és ultranagy növényi genomok (kukorica, rozs, búza) szekvenálására irányuló munkáról többször is beszámoltak, de ezek az üzenetek nem tartalmaztak konkrét információkat, inkább szándéknyilatkozatok voltak.

Várhatóan a növényi genomok megfejtése széles távlatokat nyit a tudomány és a gyakorlat számára. Mindenekelőtt az új gének azonosítása és genetikai szabályozásának láncolata a biotechnológiai megközelítések alkalmazása révén jelentősen növeli a növények termőképességét. A növényi szervezet olyan fontos funkcióiért felelős gének felfedezése, izolálása, szaporodása (klónozása) és szekvenálása, amelyek felelősek a növényi szervezet olyan fontos funkcióiért, mint a szaporodás és a termelékenység, a variabilitási folyamatok, a kedvezőtlen környezeti tényezőkkel szembeni rezisztencia, valamint a kromoszómák homológ párosítása új lehetőségek a kiválasztási folyamat javítására . Végül izolált és klónozott gének felhasználhatók alapvetően új tulajdonságokkal rendelkező transzgenikus növények előállítására és a génaktivitás szabályozási mechanizmusainak elemzésére.

A növényi genomok vizsgálatának fontosságát az is hangsúlyozza, hogy a lokalizált, klónozott és szekvenált növényi gének száma eddig csekély, és különböző becslések szerint 800 és 1200 között mozog. Ez 10-15-ször kevesebb, mint a például az emberekben.

Az Egyesült Államok továbbra is kétségtelenül vezető szerepet tölt be a növényi genomok nagyszabású vizsgálatában, bár Japánban, az utóbbi években pedig Kínában is intenzív kutatás folyik a rizs genomjával kapcsolatban. Az amerikai laboratóriumok mellett európai kutatócsoportok is aktívan részt vettek az Arabidopsis genom megfejtésében. Az Egyesült Államok látszólagos vezetése komoly aggodalomra ad okot az európai tudósok körében, amit egyértelműen kifejeztek a 2000 végén Franciaországban tartott „Prospects for Genomics in the Postgenomic Era” című értekezleten. Az amerikai tudomány előrehaladása a mezőgazdasági növények genomjának tanulmányozása és a transzgénikus növényi formák létrehozása terén európai tudósok szerint azzal a veszéllyel fenyeget, hogy a nem túl távoli jövőben (két-öt évtizedben), amikor a népességnövekedés az emberiséget olyan helyzet elé állítja. általános élelmiszerválság, az európai gazdaság és tudomány függővé válik az amerikai technológiától. Ezzel kapcsolatban bejelentették egy francia-német tudományos program létrehozását a növényi genomok tanulmányozására (Plantgene), és jelentős források befektetését ebbe.

Nyilvánvalóan a növénygenomika problémáinak fel kell hívniuk az orosz tudósok és tudományszervezők, valamint az irányító testületek figyelmét, hiszen nemcsak a tudományos presztízsről, hanem az ország nemzetbiztonságáról is beszélünk. Egy-két évtizeden belül az élelmiszer lesz a legfontosabb stratégiai erőforrás.

NÖVÉNYGENÓMOK TANULMÁNYOZÁSÁNAK NEHÉZSÉGEI

A növényi genomok tanulmányozása sokkal összetettebb feladat, mint az emberek és más állatok genomjának tanulmányozása. Ennek oka a következő körülmények:

hatalmas genomméretek, amelyek az egyes növényfajták esetében elérik a több tíz, sőt százmilliárd nukleotidpárt (bp): a főbb gazdaságilag fontos növények (a rizs, len és gyapot kivételével) genomja vagy közel áll az emberi genomhoz, vagy meghaladja azt sokszor (táblázat);

Éles ingadozások a kromoszómák számában a különböző növényekben - egyes fajok esetében kettőtől több százig másokban, és nem lehet szoros összefüggést azonosítani a genom mérete és a kromoszómák száma között;

Sok poliploid (amely sejtenként kettőnél több genomot tartalmaz) képződik hasonló, de nem azonos genomokkal (allopoliploidia);

A növényi genomok rendkívüli (akár 99%-os) feldúsulása „jelentéktelen” (nem kódoló, azaz géneket nem tartalmazó) DNS-sel, ami nagymértékben megnehezíti a szekvenált fragmentumok összekapcsolását (helyes sorrendbe rendezését) egy közös nagy- méretű DNS-régió (contig);

A kromoszómák nem teljes (a Drosophila, ember és egér genomjához képest) morfológiai, genetikai és fizikai feltérképezése;

Az egyes kromoszómák tiszta formában történő izolálásának gyakorlati lehetetlensége az emberi és állati kromoszómák esetében általában erre a célra használt módszerekkel (áramlási válogatás és sejthibridek alkalmazása);

Az egyes gének kromoszómatérképezésének (a kromoszómán belüli elhelyezkedésének meghatározása) nehézségei hibridizációval in situ, mind a növényi genomokban található „jelentéktelen” DNS magas tartalma, mind a növényi kromoszómák szerkezeti szerveződésének sajátosságai miatt;

A növények evolúciós távolsága az állatoktól, ami súlyosan megnehezíti az emberek és más állatok genomjának szekvenálásából nyert információk felhasználását a növényi genomok tanulmányozására;

A legtöbb növény hosszú szaporodási folyamata, ami jelentősen lelassítja a genetikai elemzésüket.

KROMOSZOMÁLIS GENOM VIZSGÁLATOK

A genomok kromoszómális (citogenetikai) vizsgálata általában, és különösen a növények esetében hosszú múltra tekint vissza. A „genom” kifejezést a 20. század első negyedében javasolták egy haploid (egyetlen) kromoszómakészlet jelölésére a bennük lévő génekkel, vagyis jóval azelőtt, hogy a DNS genetikai információhordozó szerepét megalapozták volna.

Egy új, korábban nem vizsgált genetikailag többsejtű szervezet genomjának leírása általában a kromoszómák teljes készletének (kariotípusának) vizsgálatával és leírásával kezdődik. Ez természetesen a növényekre is vonatkozik, amelyek nagy részét még el sem kezdték tanulmányozni.

Már a kromoszómavizsgálatok hajnalán összehasonlították a rokon növényfajok genomjait interspecifikus hibridekben a meiotikus konjugáció (homológ kromoszómák egyesülése) elemzése alapján. Az elmúlt 100 évben a kromoszómaelemzés lehetőségei drámaian bővültek. Napjainkban a növényi genomok jellemzésére fejlettebb technológiákat alkalmaznak: az úgynevezett differenciális festés különböző változatai, amelyek lehetővé teszik az egyes kromoszómák morfológiai jellemzők alapján történő azonosítását; hibridizáció in situ, lehetővé teszi specifikus gének lokalizálását a kromoszómákon; sejtfehérjék biokémiai vizsgálatai (elektroforézis és immunkémia) és végül a kromoszómális DNS elemzésén alapuló módszerkészlet a szekvenálásig.

Rizs. 1. A gabonafélék kariotípusai: a - rozs (14 kromoszóma), b - durumbúza (28 kromoszóma), c - lágy búza (42 kromoszóma), d - árpa (14 kromoszóma)

A gabonafélék, elsősorban a búza és a rozs kariotípusait évek óta vizsgálják. Érdekes, hogy ezeknek a növényeknek a különböző fajaiban a kromoszómák száma eltérő, de mindig hét többszöröse. Az egyes gabonafajok megbízhatóan azonosíthatók kariotípusuk alapján. Például a rozs genomja hét pár nagy kromoszómából áll, amelyek végén intenzív színű heterokromatikus blokkok vannak, amelyeket gyakran szegmenseknek vagy sávoknak neveznek (1a. ábra). A búza genomjai már 14 és 21 pár kromoszómával rendelkeznek (1. ábra, b, c), és a heterokromatikus blokkok eloszlása ​​bennük nem ugyanaz, mint a rozs kromoszómáiban. A búza A, B és D jelölésű egyedi genomjai is különböznek egymástól, a kromoszómák számának 14-ről 21-re való növekedése a búza tulajdonságainak éles megváltozásához vezet, ami a nevükben is tükröződik: durum, vagy makaróni, búza és puha, vagy kenyér, búza . A gluténfehérjék génjeit tartalmazó D gén felelős azért, hogy a puha búza kiváló sütési tulajdonságokat szerezzen, ami a tésztának úgynevezett csírázást ad. A kenyérbúza szelekciójának javítása során erre a genomra fordítanak kiemelt figyelmet. Egy másik, 14 kromoszómás gabonafélét, az árpát (1. ábra, d) általában nem használják kenyérkészítéshez, de fő alapanyagként szolgál olyan elterjedt termékek előállításához, mint a sör és a whisky.

Egyes vadon élő növények kromoszómáit, amelyeket a legfontosabb mezőgazdasági fajok minőségének javítására használnak, például a búza vadon élő rokonai, az Aegilops, intenzíven tanulmányozzák. Új növényformák jönnek létre keresztezéssel (2. ábra) és szelekcióval. Az elmúlt években a kutatási módszerek jelentős fejlesztései lehetővé tették azoknak a növényeknek a genomjának vizsgálatát, amelyek kariotípus-jellemzői (főleg kis kromoszómaméret) miatt korábban elérhetetlenek voltak a kromoszómaelemzés számára. Így csak a közelmúltban azonosították először a gyapot, a kamilla és a len összes kromoszómáját.

Rizs. 2. A búza és a búza-Aegilops hibrid kariotípusai

a - hexaploid közönséges búza ( Triticum astivum), amely A, B és O genomokból áll; b - tetraploid búza ( Triticum timopheevi), amely A és G genomból áll. a legtöbb búzabetegséggel szemben ellenálló géneket tartalmaz; c - hibridek Triticum astivum x Triticum timopheevi, lisztharmatnak és rozsdának ellenáll, jól látható a kromoszómák egy részének kicserélődése

A DNS ELSŐDLEGES SZERKEZETE

A molekuláris genetika fejlődésével a genom fogalma is bővült. Most ezt a kifejezést a klasszikus kromoszómális és a modern molekuláris értelemben is értelmezik: egy egyedi vírus, sejt és szervezet teljes genetikai anyaga. Természetesen számos mikroorganizmus és ember genomjainak (a nukleinsavbázisok teljes lineáris szekvenciájának) teljes elsődleges szerkezetének tanulmányozása után felmerült a növényi genomok szekvenálásának kérdése.

A sok növényi organizmus közül kettőt választottak ki a vizsgálatra: az Arabidopsist, amely a kétszikűek osztályát képviseli (genomméret 125 millió bp), és a rizst az egyszikűek osztályából (420-470 millió bp). Ezek a genomok kicsik más növényi genomokhoz képest, és viszonylag kevés ismétlődő DNS-szakaszt tartalmaznak. Az ilyen tulajdonságok reményt adtak arra, hogy a kiválasztott genomok viszonylag gyorsan hozzáférhetők lesznek elsődleges szerkezetük meghatározásához.

Rizs. 3. Arabidopsis - kis mustár - egy kis növény a keresztesvirágúak családjából ( Brassicaceae). Magazinunk egy oldalával megegyező területen akár ezer egyedi Arabidopsis organizmus termeszthető

Az Arabidopsis kiválasztásánál nem csak a genom kis mérete, hanem a szervezet kis mérete is volt, ami megkönnyíti a laboratóriumi körülmények közötti tenyésztést (3. ábra). Figyelembe vettük annak rövid szaporodási ciklusát, melynek köszönhetően gyorsan elvégezhető a keresztezési és szelekciós kísérletek, részletes genetika, a változó termesztési feltételek mellett a manipulálhatóság (talaj sóösszetételének megváltoztatása, különböző tápanyagok hozzáadása stb.), ill. különböző mutagén faktorok és kórokozók (vírusok, baktériumok, gombák) növényekre gyakorolt ​​hatásának vizsgálata. Az Arabidopsisnak nincs gazdasági értéke, ezért genomját az egér genommal együtt referenciagenomnak, vagy kevésbé pontosan modellgenomnak nevezték.*

* A „modellgenom” kifejezés megjelenése az orosz irodalomban az angol model genome kifejezés pontatlan fordításának eredménye. A „modell” szó nem csak a „modell” jelzőt jelenti, hanem a „minta”, „standard”, „modell” főnevet is. Helyesebb lenne mintagenomról, vagy referenciagenomról beszélni.

Az Arabidopsis genomjának szekvenálására irányuló intenzív munka 1996-ban kezdődött egy nemzetközi konzorcium által, amelyben az Egyesült Államok, Japán, Belgium, Olaszország, Nagy-Britannia és Németország tudományos intézményei és kutatócsoportjai voltak. 2000 decemberében az Arabidopsis genom elsődleges szerkezetének meghatározását összefoglaló kiterjedt információ vált elérhetővé. A szekvenáláshoz klasszikus, vagy hierarchikus technológiát alkalmaztunk: először a genom egyes kis szakaszait vizsgáltuk, amelyekből nagyobb metszeteket (contigeket) készítettek, majd a végső szakaszban az egyes kromoszómák szerkezetét. Az Arabidopsis genom mag DNS-e öt kromoszómában oszlik meg. 1999-ben publikálták két kromoszóma szekvenálásának eredményeit, a maradék három primer szerkezetére vonatkozó információk közzététele pedig befejezte a teljes genom szekvenálását.

125 millió nukleotidpárból 119 millió elsődleges szerkezetét határozták meg, ami a teljes genom 92%-a. Az Arabidopsis genomjának csak 8%-a, amely ismétlődő DNS-szakaszok nagy blokkjait tartalmazta, nem hozzáférhető a tanulmányozás számára. Az eukarióta genomok szekvenálásának teljességét és alaposságát tekintve az Arabidopsis az egysejtű élesztőszervezet mellett továbbra is az első három bajnok között van. Saccharomyces cerevisiaeés többsejtű állati szervezet Caenorhabditis elegancia(lásd a táblázatot).

Mintegy 15 ezer egyedi, fehérjéket kódoló gént találtak az Arabidopsis genomjában. Haploid (egyetlen) genomonként ezekből megközelítőleg 12 ezer található két példányban, így a gének összlétszáma 27 ezer. Az Arabidopsis génjeinek száma nem sokban különbözik az olyan organizmusok génjeinek számától, mint az ember és az egér, de genomjának mérete 25-30-szor kisebb. Ez a körülmény az egyes Arabidopsis gének szerkezetének és genomjának általános szerkezetének fontos jellemzőihez kapcsolódik.

Az Arabidopsis gének kompaktak, csak néhány exont (fehérjét kódoló régiót) tartalmaznak, amelyeket rövid (kb. 250 bp) nem kódoló DNS szakaszok (intronok) választanak el. Az egyes gének közötti hézagok átlagosan 4,6 ezer nukleotidpárt tesznek ki. Összehasonlításképpen felhívjuk a figyelmet arra, hogy az emberi gének sok tíz, sőt több száz exont és intront tartalmaznak, és az intergénikus régiók mérete 10 ezer nukleotidpár vagy annál nagyobb. Úgy gondolják, hogy a kisméretű, kompakt genom jelenléte hozzájárult az Arabidopsis evolúciós stabilitásához, mivel DNS-e kevésbé vált célponttá különböző károsító ágensek számára, különösen a vírusszerű ismétlődő DNS-fragmensek (transzpozonok) bejuttatására. genom.

Az Arabidopsis genom további molekuláris jellemzői közé tartozik az exonok guaninnal és citozinnal való feldúsulása (44% az exonokban és 32% az intronokban) az állati génekhez képest, valamint kétszer ismétlődő (duplikált) gének jelenléte. Úgy gondolják, hogy ez a megkettőződés négy egyidejű esemény eredményeként következett be, amelyek az Arabidopsis gének egy részének megkettőződéséből (ismétlődéséből), vagy rokon genomok fúziójából álltak. Ezek a 100-200 millió évvel ezelőtti események a növényi genomokra jellemző poliploidizációs (genomok számának többszörös növekedése egy szervezetben) általános tendenciájának megnyilvánulásai. Néhány tény azonban azt mutatja, hogy az Arabidopsisban a megkettőzött gének nem azonosak és eltérően működnek, ami a szabályozó régióik mutációinak köszönhető.

A teljes DNS-szekvenálás másik tárgya a rizs volt. Ennek a növénynek a genomja is kicsi (12 kromoszóma, összesen 420-470 millió bp), mindössze 3,5-szer nagyobb, mint az Arabidopsis-é. Az Arabidopsisszal ellentétben azonban a rizs óriási gazdasági jelentőséggel bír, mivel az emberiség több mint felének táplálkozási alapja, ezért nemcsak fogyasztók milliárdjai érdekeltek létfontosságúak tulajdonságainak javításában, hanem a rizs több millió dolláros hadserege is, akik aktívan részt vesznek a termesztés igen munkaigényes folyamata.

Egyes kutatók már a múlt század 80-as éveiben kezdték el tanulmányozni a rizs genomját, de ez a munka csak a 90-es években ért el komoly léptéket. 1991-ben Japánban létrehoztak egy programot a rizs genom szerkezetének megfejtésére, amely számos kutatócsoport erőfeszítéseit egyesítette. 1997-ben e program alapján szervezték meg a Nemzetközi Rizs Genom Projektet. A résztvevők úgy döntöttek, hogy erőfeszítéseiket az egyik rizs alfaj szekvenálására összpontosítják ( Oriza sativajaponica), amelynek vizsgálatában addigra már jelentős előrelépés történt. A Human Genome program komoly ösztönző és képletesen szólva vezércsillag lett az ilyen jellegű munkákhoz.

A program keretében tesztelték a genom „kromoszómális” hierarchikus felosztásának stratégiáját, amelyet a nemzetközi konzorcium résztvevői a rizsgenom megfejtésére használtak. Ha azonban az emberi genom tanulmányozása során az egyes kromoszómák frakcióit különböző technikákkal izolálták, akkor lézeres mikrodisszekcióval (mikroszkópos objektumok kivágásával) nyerték ki az egyes rizskromoszómákra és azok egyedi metszeteire jellemző anyagot. A mikroszkóp tárgylemezén, ahol a rizskromoszómák találhatók, lézersugár hatására a kromoszómán vagy annak elemzésre szánt metszetein kívül minden kiég. A fennmaradó anyagot klónozásra és szekvenálásra használják.

Számos jelentés jelent meg a rizs genom egyes fragmentumainak szekvenálásának eredményeiről, amelyeket a hierarchikus technológiára jellemző nagy pontossággal és részletességgel végeztek. Úgy vélték, hogy a rizs genom teljes elsődleges szerkezetének meghatározása 2003 végére, 2004 közepére befejeződik, és az eredményeket az Arabidopsis genom elsődleges szerkezetére vonatkozó adatokkal együtt széles körben használják majd az összehasonlító genomikában. más növényekről.

2002 elején azonban két kutatócsoport – az egyik Kínából, a másik Svájcból és az Egyesült Államokból – publikálta a rizs genomjának teljes durva (durva) szekvenálásának eredményeit, amelyet teljes klónozási technológiával végeztek. A lépésenkénti (hierarchikus) vizsgálattal ellentétben a teljes megközelítés a teljes genomiális DNS egyidejű klónozásán alapul valamelyik vírus- vagy bakteriális vektorban, és jelentős számú (közepes és nagy genom esetén óriási) számú különböző DNS-szegmenseket tartalmazó egyedi klónok. Ezen szekvenált szakaszok elemzése és a DNS azonos végszakaszok átfedése alapján egy kontig képződik - egy DNS-szekvenciák összekapcsolt lánca. Az általános (teljes) kontig a teljes genom, vagy legalábbis egy egyedi kromoszóma elsődleges szerkezetét jelenti.

Egy ilyen sematikus bemutatásban a teljes klónozás stratégiája egyszerűnek tűnik. Valójában komoly nehézségekbe ütközik, amelyek a nagyszámú klón beszerzésének szükségességével kapcsolatosak (általánosan elfogadott, hogy a vizsgált genomot vagy annak régióját legalább 10-szer át kell fedni a klónoknak), óriási mennyiségű szekvenálás és rendkívül klónok összekapcsolásának komplex munkája, melyhez bioinformatikusok közreműködése szükséges. A teljes klónozás komoly akadálya az ismétlődő DNS-régiók sokfélesége, amelyek száma, mint már említettük, a genom méretének növekedésével meredeken növekszik. Ezért a teljes szekvenálási stratégiát elsősorban vírusok és mikroorganizmusok genomjának tanulmányozására használják, bár sikeresen alkalmazták egy többsejtű szervezet, a Drosophila genomjának tanulmányozására.

Ennek a genomnak a teljes szekvenálásának eredményeit a Drosophila csaknem 100 éves tanulmányozása során szerzett kromoszómális, gén- és molekuláris szerkezetéről szóló hatalmas információtömbre „ráhelyezték”. És mégis, a szekvenálás mértékét tekintve a Drosophila genom (a teljes genom méretének 66% -a) jelentősen alacsonyabb, mint az Arabidopsis genom (92%), annak ellenére, hogy méreteik meglehetősen hasonlóak - 180 millió, illetve 125 millió nukleotidpár. . Ezért a közelmúltban azt javasolták, hogy a Drosophila genom szekvenálására használt technológiát vegyesnek nevezzék.

A rizs genomjának szekvenálásához a fent említett kutatócsoportok annak két alfaját vették fel, az ázsiai országokban a legszélesebb körben termesztett alfaját. Oriza saliva L. ssp indicajÉs Oriza saliva L. sspjaponica. Kutatásaik eredményei sok mindenben egybeesnek, de sok mindenben különböznek is. Így mindkét csoport képviselői azt nyilatkozták, hogy a genom körülbelül 92-93%-ában kontig átfedést értek el. Kimutatták, hogy a rizs genomjának körülbelül 42%-át rövid, 20 nukleotidpárból álló DNS ismétlődések képviselik, és a mobil DNS-elemek (transzpozonok) többsége intergénikus régiókban található. A rizs genom méretére vonatkozó információk azonban jelentősen eltérnek egymástól.

A japán alfaj esetében a genom mérete 466 millió nukleotidpár, az indiai alfaj esetében pedig 420 millió. Ennek az eltérésnek az oka nem világos. Ez a genom nem kódoló részének méretének meghatározásában alkalmazott eltérő módszertani megközelítés következménye lehet, vagyis nem feltétlenül tükrözi a valós helyzetet. De lehetséges, hogy a vizsgált genomok méretében 15%-os különbség valóban létezik.

A második komoly eltérés a kimutatott gének számában derült ki: a japán alfajnál genomonként 46 022-55 615 gén, az indiai alfajnál pedig 32 000-ről 50 000-re. Az eltérés oka nem tisztázott.

A beérkezett információk hiányosságát és következetlenségét a megjelent cikkekhez fűzött megjegyzésekben jeleztük. Azt is remélik, hogy a rizsgenom ismeretében fennálló hiányosságokat megszüntetik, ha összehasonlítják a „durva szekvenálásból” származó adatokat a Nemzetközi Rizsgenom Projekt résztvevői által végzett részletes, hierarchikus szekvenálás eredményeivel.

NÖVÉNYEK ÖSSZEHASONLÍTÓ ÉS FUNKCIONÁLIS GENOMIKÁJA

A kapott kiterjedt adatok, amelyek fele (a kínai csoport eredményei) nyilvánosan elérhetők, kétségtelenül széles távlatokat nyit mind a rizs genomjának, mind általában a növényi genomika tanulmányozása számára. Az Arabidopsis és a rizs genom tulajdonságainak összehasonlítása azt mutatta, hogy az Arabidopsis genomban azonosított gének nagy része (akár 80%-a) a rizs genomjában is megtalálható, azonban a rizsben található gének hozzávetőleg fele analógjai ortológusok) még nem találtak az Arabidopsis genomjában. Ugyanakkor a rizs genomjában azonosították azoknak a géneknek a 98%-át, amelyek elsődleges szerkezetét más gabonafélékre határozták meg.

A rizs és az Arabidopsis gének számának jelentős (majdnem kétszeres) eltérése elgondolkodtató. Ugyanakkor a rizs genom durva átiratának teljes szekvenálásával nyert adatait gyakorlatilag nem hasonlítják össze a rizs genomjának a hierarchikus klónozás és szekvenálás módszerével történő tanulmányozásának kiterjedt eredményeivel, vagyis azzal, ami történt. mert a Drosophila genomot nem sikerült elérni. Ezért továbbra sem világos, hogy az Arabidopsis és a rizs gének számában mutatkozó különbség a dolgok valódi állapotát tükrözi-e, vagy a módszertani megközelítések különbségei magyarázzák.

Az Arabidopsis genommal ellentétben a rizs genomjában található ikergénekről nem adnak információt. Lehetséges, hogy relatív bőségük nagyobb lehet a rizsben, mint az Arabidopsisban. Ezt a lehetőséget közvetve alátámasztják a rizs poliploid formáinak jelenlétére vonatkozó adatok. Ebben a kérdésben nagyobb tisztázásra lehet számítani a Nemzetközi Rizsgenom Projekt befejezése és a genom elsődleges DNS-szerkezetének részletes képének megszerzése után. Ennek a reménynek komoly alapot ad az a tény, hogy a rizs genomjának durva szekvenálásáról szóló munkák megjelenése után meredeken megnőtt a genom szerkezetére vonatkozó publikációk száma, különösen a kromoszómák részletes szekvenálásáról jelentek meg információk. 1. és 4.

A növényekben lévő gének számának legalább megközelítő ismerete alapvető fontosságú az összehasonlító növénygenomika szempontjából. Eleinte úgy gondolták, hogy mivel minden virágzó növény fenotípusos jellemzőiben nagyon közel van egymáshoz, genomjuknak is közel kell lennie. Ha pedig tanulmányozzuk az Arabidopsis genomját, akkor más növények genomjainak többségéről is információt kapunk. Ennek a feltételezésnek a közvetett megerősítését a humán genomhoz meglepően közel álló egérgenom szekvenálásának eredményei adják (kb. 30 ezer gén, amelyből mindössze 1 ezer bizonyult eltérőnek).

Feltételezhető, hogy az Arabidopsis és a rizs genomjában mutatkozó különbségek oka abban rejlik, hogy különböző növényosztályokhoz - kétszikűek és egyszikűek - tartoznak. Ennek a kérdésnek a tisztázása érdekében rendkívül kívánatos legalább néhány más egyszikű növény durva elsődleges szerkezetének ismerete. A legreálisabb jelölt a kukorica, amelynek genomja megközelítőleg megegyezik az emberi genommal, de még mindig lényegesen kisebb, mint más gabonafélék genomja. A kukorica élelmiszer-értéke jól ismert.

Az Arabidopsis és a rizs genomjának szekvenálásával nyert hatalmas anyag fokozatosan a növényi genomok összehasonlító genomikai módszerekkel történő nagyszabású tanulmányozásának alapjává válik. Az ilyen vizsgálatok általános biológiai jelentőséggel bírnak, mivel lehetővé teszik a növényi genom egészének és egyes kromoszómáinak szerveződésének főbb elveinek megállapítását, a gének és szabályozó régióik szerkezetének közös jellemzőinek azonosítását, valamint a növényi genom egészének és egyes kromoszómáinak feltérképezését. kapcsolat a kromoszóma funkcionálisan aktív (gén) része és a különböző, nem fehérjét kódoló intergenikus DNS-régiók között. Az összehasonlító genetika a humán funkcionális genomika fejlesztése szempontjából is egyre fontosabbá válik. Összehasonlító vizsgálatok céljából szekvenálták a gubacshalak és egerek genomját.

Nem kevésbé fontos az egyes fehérjék szintéziséért felelős egyes gének tanulmányozása, amelyek meghatározzák a test specifikus funkcióit. A Human Genome program gyakorlati, elsősorban orvosi jelentősége az egyes gének kimutatásában, izolálásában, szekvenálásában és működésének megállapításában rejlik. Ezt a körülményt néhány évvel ezelőtt feljegyezte J. Watson, aki hangsúlyozta, hogy a Human Genome program csak akkor fejeződik be, ha az összes emberi gén funkciója meghatározásra kerül.

Rizs. 4. Osztályozás az Arabidopsis gének funkciója szerint

1 - növekedési, osztódási és DNS-szintézis gének; 2 - RNS szintézis gének (transzkripció); 3 - fehérjeszintézis és -módosítás gének; 4 - fejlődést, öregedést és sejthalált gének; 5 - a sejtanyagcsere és az energiaanyagcsere génjei; 6 - intercelluláris kölcsönhatás és jelátvitel gének; 7 - más sejtfolyamatokat támogató gének; 8 - ismeretlen funkciójú gének

Ha a növényi gének működéséről van szó, kevesebb mint egytizedét ismerjük annak, amit az emberi génekről. Még az Arabidopsisban is, amelynek genomja sokkal jobban tanulmányozott, mint az emberi genom, génjei csaknem felének funkciója ismeretlen (4. ábra). Eközben a növények az állatokra jellemző gének mellett jelentős számú, csak rájuk (vagy legalábbis túlnyomóan) specifikus gént tartalmaznak. A vízszállításban és a sejtfalak szintézisében részt vevő génekről beszélünk, amelyek az állatokban hiányoznak, a kloroplasztiszok képződését és működését, a fotoszintézist, a nitrogénkötést és számos aromás termék szintézisét biztosító génekről. Ez a lista folytatható, de már most látszik, hogy a növényi funkcionális genomika milyen nehéz feladat előtt áll.

A teljes genom szekvenálás közel valós információt ad egy adott organizmus génjeinek teljes számáról, lehetővé teszi azok szerkezetéről többé-kevésbé részletes és megbízható információk adatbankokban való elhelyezését, valamint megkönnyíti az egyes gének izolálásának és vizsgálatának munkáját. A genomszekvenálás azonban nem jelenti az összes gén működésének megállapítását.

A funkcionális genomika egyik legígéretesebb megközelítése azon működő gének azonosításán alapul, amelyeken mRNS transzkripció (olvasás) történik. Ez a megközelítés, beleértve a modern microarray technológia használatát, lehetővé teszi akár több tízezer működő gén egyidejű azonosítását. A közelmúltban, ezzel a megközelítéssel, megkezdődött a növényi genomok vizsgálata. Az Arabidopsis esetében mintegy 26 ezer egyedi átiratot lehetett beszerezni, ami nagyban megkönnyíti szinte valamennyi génje működésének meghatározását. A burgonyában mintegy 20 000 ezer működő gént sikerült azonosítani, amelyek mind a növekedési és gumóképződési folyamatok, mind a burgonyabetegség folyamatainak megértéséhez fontosak. Ez a tudás várhatóan javítani fogja az egyik legfontosabb élelmiszertermék kórokozókkal szembeni ellenálló képességét.

A funkcionális genomika logikus fejleménye a proteomika. Ez az új tudományterület a proteomot vizsgálja, amely jellemzően egy sejtben egy adott időpontban a teljes fehérjekészletre utal. Ez a fehérjekészlet, amely a genom funkcionális állapotát tükrözi, folyamatosan változik, miközben a genom változatlan marad.

A fehérjék tanulmányozását régóta használják a növényi genomok aktivitásának megítélésére. Mint ismeretes, az összes növényben megtalálható enzimek az egyes fajokban és fajtákban különböznek az aminosavak sorrendjében. Az ilyen, azonos funkciójú, de az egyes aminosavak eltérő szekvenciájú enzimeket izoenzimeknek nevezzük. Különböző fizikai-kémiai és immunológiai tulajdonságokkal rendelkeznek (molekulatömeg, töltés), amelyek kromatográfiával vagy elektroforézissel kimutathatók. Ezeket a módszereket évek óta sikeresen alkalmazzák az úgynevezett genetikai polimorfizmus, vagyis az élőlények, fajták, populációk, fajok, különösen a búza és a gabonafélék rokon formái közötti különbségek vizsgálatára. A közelmúltban azonban a DNS-elemzési módszerek, köztük a szekvenálás gyors fejlődése miatt a fehérje-polimorfizmus vizsgálatát a DNS-polimorfizmus vizsgálata váltotta fel. A gabonafélék alapvető táplálkozási tulajdonságait meghatározó raktározó fehérjék (prolaminok, gliadinek stb.) spektrumának közvetlen vizsgálata azonban továbbra is fontos és megbízható módszer a mezőgazdasági növények genetikai elemzésére, szelekciójára és vetőmagtermesztésére.

A gének ismerete, expressziójuk és szabályozásuk mechanizmusai rendkívül fontosak a biotechnológia fejlesztése és a transzgenikus növények termesztése szempontjából. Ismeretes, hogy az ezen a területen elért lenyűgöző sikerek vegyes reakciókat váltanak ki a környezetvédő és az orvosi közösségből. Van azonban a növényi biotechnológiának egy olyan területe, ahol ezek a félelmek, ha nem is teljesen alaptalanok, de mindenesetre jelentéktelennek tűnnek. Transzgénikus ipari növények létrehozásáról beszélünk, amelyeket nem élelmiszerként használnak fel. India a közelmúltban betakarította az első olyan transzgénikus gyapot termését, amely számos betegséggel szemben ellenálló. Vannak információk a pigmentfehérjéket kódoló speciális gének gyapotgenomba történő bejuttatásáról, illetve mesterséges festést nem igénylő pamutszálak előállításáról. Egy másik ipari növény, amelyen hatékony géntechnológiát kell alkalmazni, a len. A közelmúltban szóba került a pamut alternatívájaként történő használata textil-alapanyagként. Ez a probléma rendkívül fontos hazánk számára, amely elvesztette saját pamut-alapanyag-forrásait.

A NÖVÉNYGENÓMOK VIZSGÁLATÁNAK KITEKINTÉSE

Nyilvánvaló, hogy a növényi genomok szerkezeti vizsgálata az összehasonlító genomika megközelítésein és módszerein fog alapulni, felhasználva az Arabidopsis és a rizs genomjának megfejtésének eredményeit, mint fő anyagot. Az összehasonlító növénygenomika kialakulásában kétségtelenül jelentős szerepe lesz annak az információnak, amelyet előbb-utóbb más növények genomjának teljes (durva) szekvenálása szolgáltat majd. Ebben az esetben az összehasonlító növénygenomika az egyes lókuszok és a különböző genomokhoz tartozó kromoszómák közötti genetikai kapcsolatok megállapításán fog alapulni. Nem annyira a növények általános genomikájáról fogunk beszélni, hanem az egyes kromoszómális lókuszok szelektív genomikájáról. Így a közelmúltban kimutatták, hogy a vernalizációért felelős gén a hexaploid búza 5A kromoszóma VRn-AI lókuszában és a rizs 3. kromoszóma Hd-6 lókuszában található.

E tanulmányok kidolgozása erőteljes lendületet ad számos funkcionálisan fontos növényi gén azonosításához, izolálásához és szekvenálásához, különösen a betegségekkel szembeni rezisztenciáért, a szárazságállóságért és a különféle termesztési körülményekhez való alkalmazkodásért felelős génekhez. A növényekben működő gének tömeges azonosításán (szűrésén) alapuló funkcionális genomikát egyre inkább alkalmazni fogják.

A kromoszómatechnológiákban, elsősorban a mikrodisszekciós módszerben további fejlesztéseket látunk előre. Használata drámaian kibővíti a genomikai kutatás lehetőségeit anélkül, hogy óriási költségeket, például teljes genom szekvenálást igényelne. Egyre elterjedtebb lesz az a módszer, amellyel az egyes géneket a növényi kromoszómákon lokalizálják hibridizációval. in situ. Felhasználását jelenleg a növényi genomban található ismétlődő szekvenciák nagy száma, esetleg a növényi kromoszómák szerkezeti szerveződésének sajátosságai korlátozzák.

A belátható jövőben a kromoszómális technológiák a növények evolúciós genomikája szempontjából is nagy jelentőséggel bírnak majd. Ezek a viszonylag olcsó technológiák lehetővé teszik a tetraploid és hexaploid búza és tritikálé komplex allopoliploid genomjainak gyors felmérését az intra- és interspecifikus variabilitásban; elemzi az evolúciós folyamatokat kromoszóma szinten; a szintetikus genomok kialakulásának és az idegen genetikai anyag bejutásának (introgressziójának) vizsgálata; azonosítani a genetikai kapcsolatokat a különböző fajok egyes kromoszómái között.

A genom jellemzésére a növényi kariotípus klasszikus citogenetikai módszerekkel, molekuláris biológiai analízissel és számítógépes technológiával gazdagított vizsgálata szolgál majd. Ez különösen fontos a kariotípus stabilitásának és variabilitásának vizsgálatához nemcsak az egyes szervezetek, hanem populációk, fajták és fajok szintjén is. Végül nehéz elképzelni, hogyan lehet megbecsülni a kromoszóma-átrendeződések (rendellenességek, hidak) számát és spektrumát differenciális festési módszerek alkalmazása nélkül. Az ilyen vizsgálatok rendkívül ígéretesek a környezet monitorozására a növényi genom állapota alapján.

A modern Oroszországban nem valószínű, hogy a növényi genomok közvetlen szekvenálását elvégeznék. Az ilyen, nagy beruházásokat igénylő munka jelenlegi gazdaságunk számára fenntarthatatlan. Eközben az Arabidopsis és a rizs genomjának felépítéséről a világtudomány által megszerzett és a nemzetközi adatbankokban rendelkezésre álló információk elegendőek a hazai növénygenomika fejlesztéséhez. Az összehasonlító genomikai megközelítéseken alapuló növényi genomkutatás kiterjesztése előre látható a nemesítés és a növénytermesztés specifikus problémáinak megoldására, valamint különféle gazdasági jelentőségű növényfajok eredetének vizsgálatára.

Feltételezhető, hogy a hazai nemesítési gyakorlatban és növénytermesztésben széles körben alkalmazzák majd a költségvetésünk számára meglehetősen megfizethető genomikai megközelítéseket, mint például a genetikai tipizálást (RELF, RAPD, AFLP elemzések stb.). A DNS-polimorfizmus meghatározásának direkt módszereivel párhuzamosan a fehérjepolimorfizmus, elsősorban a gabonafélék raktározó fehérjéinek vizsgálatán alapuló megközelítések kerülnek alkalmazásra a genetikai és növénynemesítési problémák megoldására. A kromoszómatechnológiákat széles körben használják majd. Viszonylag olcsók, fejlesztésük meglehetősen mérsékelt befektetést igényel. A kromoszómakutatás terén a hazai tudomány nem marad el a világtól.

Hangsúlyozni kell, hogy tudományunk jelentős mértékben hozzájárult a növényi genomika kialakulásához és fejlődéséhez [,].

Az alapvető szerepet N.I. Vavilov (1887-1943).

A molekuláris biológiában és a növénygenomikában az A.N. úttörő hozzájárulása nyilvánvaló. Belozersky (1905-1972).

A kromoszómakutatás területén meg kell jegyezni a kiváló genetikus, S.G. Navashin (1857-1930), aki először fedezte fel a szatellit kromoszómákat a növényekben, és bebizonyította, hogy lehetséges az egyes kromoszómák megkülönböztetése morfológiájuk jellemzői alapján.

Az orosz tudomány másik klasszikusa, G.A. Levitsky (1878-1942) részletesen leírta a rozs, a búza, az árpa, a borsó és a cukorrépa kromoszómáit, bevezette a „kariotípus” kifejezést a tudományba, és kidolgozta ennek tanát.

A modern szakemberek a világtudomány vívmányaira támaszkodva jelentős mértékben hozzájárulhatnak a növénygenetika és genomika további fejlődéséhez.

A szerző szívből jövő háláját fejezi ki Yu.P. akadémikusnak. Altukhov a cikk kritikus megvitatásáért és értékes tanácsaiért.

A cikk írója által vezetett csoport munkáját az Orosz Alapkutatási Alapítvány (99-04-48832; 00-04-49036; 00-04-49086; 00-04-81086) támogatta, az Orosz Alapkutatási Alapítvány elnökének programja. az Orosz Föderáció a tudományos iskolák támogatására (00-115-97833 és NSh-1794.2003.4 sz. támogatások) és az Orosz Tudományos Akadémia programja „Molekuláris genetikai és kromoszómális markerek a szelekció és a magvak modern módszereinek fejlesztésében Termelés."

IRODALOM

1. Zelenin A.V., Badaeva E.D., Muravenko O.V. Bevezetés a növényi genomikába // Molekuláris biológia. 2001. T. 35. 339-348.

2. E toll. Bonanza a növénygenomikáért // Tudomány. 1998. V. 282. P. 652-654.

3. Növényi genomika // Proc. Natl. Acad. Sci. EGYESÜLT ÁLLAMOK. 1998. V. 95. P. 1962-2032.

4. Kartel N.A. satöbbi. Genetika. Enciklopédiai szótár. Minszk: Technologia, 1999.

5. Badaeva E.D., Friebe B., Gill B.S. 1996. Genom differenciáció az Aegilopsban. 1. Erősen ismétlődő DNS-szekvenciák eloszlása ​​diploid fajok kromoszómáin // Genom. 1996. V. 39. P. 293-306.

A kromoszómaelemzés története // Biol. membránok. 2001. T. 18. 164-172.

Kiadó "BINOM. A Knowledge Laboratory kiadja Craig Venter genetikus emlékkönyvét, az Élet megfejtve címmel. Craig Venter az emberi genom olvasásával és megfejtésével kapcsolatos munkájáról ismert. 1992-ben megalapította a Genomkutató Intézetet (TIGR). 2010-ben Venter megalkotta a világ első mesterséges szervezetét – a Mycoplasma laboratorium szintetikus baktériumot. Meghívjuk Önt, hogy olvassa el a könyv egyik fejezetét, amelyben Craig Venter a Drosophila légy genomjának szekvenálására irányuló 1999–2000-es munkáról beszél.

Előre és csak előre

Az öröklődés alapvető aspektusai meglepetésünkre egészen egyszerűnek bizonyultak, és ezért volt remény arra, hogy a természet talán mégsem annyira megismerhetetlen, és a különféle emberek által többször is hirdetett érthetetlensége csak egy újabb illúzió, tudatlanságunk gyümölcse. . Ez bizakodóvá tesz bennünket, mert ha a világ olyan összetett lenne, mint néhány barátunk állítja, a biológiának esélye sem lenne egzakt tudománygá válni.

Thomas Hunt Morgan. Az öröklődés fizikai alapja

Sokan kérdezték tőlem, hogy bolygónk élőlényei közül miért a gyümölcslegyet választottam; mások azon töprengtek, hogy miért nem kezdtem azonnal az emberi genom megfejtésével. A lényeg az, hogy szükségünk volt egy alapra a jövőbeni kísérletekhez, meg akartunk győződni a módszerünk helyességéről, mielőtt csaknem 100 millió dollárt költünk az emberi genom szekvenálására.

A kis gyümölcslégy óriási szerepet játszott a biológia, különösen a genetika fejlődésében. A Drosophila nemzetségbe különféle legyek tartoznak - ecet, bor, alma, szőlő és gyümölcs -, összesen mintegy 26 száz faj. De mondja ki a „drosophila” szót, és minden tudós azonnal egy adott fajra gondol – a Drosophilamelanogasterre. Mivel gyorsan és egyszerűen szaporodik, ez az apró légy modellszervezetként szolgál az evolúciós biológusok számára. Arra használják, hogy rávilágítsanak a teremtés csodájára – a megtermékenyítés pillanatától a felnőtt szervezet megjelenéséig. A Drosophilának köszönhetően számos felfedezés született, köztük olyan homeobox-tartalmú géneket fedeztek fel, amelyek az összes élő szervezet általános szerkezetét szabályozzák.

Minden genetikus hallgató ismeri azokat a kísérleteket, amelyeket Thomas Hunt Morgan, az amerikai genetika atyja végzett Drosophilán. 1910-ben a szokásos vörös szemű legyek között fehér szemű hím mutánsokat vett észre. Keresztezett egy fehér szemű hímet egy vörös szemű nősténnyel, és megállapította, hogy utódaik vörös szeműek: a fehér szeműség recesszív tulajdonságnak bizonyult, és ma már tudjuk, hogy ahhoz, hogy a legyeknek fehér legyen a szeme, két példányra van szükség. a fehérszemű génből, mindegyik szülőtől egy. Folytatva a mutánsok keresztezését, Morgan felfedezte, hogy csak a hímek mutatják a fehér szem tulajdonságát, és arra a következtetésre jutott, hogy ez a tulajdonság a nemi kromoszómához (Y kromoszómához) kapcsolódik. Morgan és tanítványai gyümölcslegyek ezreinek öröklődő tulajdonságait tanulmányozták. Ma a Drosophilával kísérleteket végeznek molekuláris biológiai laboratóriumokban szerte a világon, ahol több mint ötezer ember tanulmányozza ezt a kis rovart.

Első kézből tanultam meg a Drosophila fontosságát, amikor cDNS-génjeinek könyvtárait használtam az adrenalinreceptorok tanulmányozására, és felfedeztem megfelelőjüket a légy-oktopamin receptorokban. Ez a felfedezés jelezte a légy és az ember idegrendszerének evolúciós öröklődésének közösségét. Megpróbáltam megérteni az emberi agy cDNS-könyvtárait, hasonló funkciójú géneket találtam az emberi gének és a Drosophila gének számítógépes összehasonlításával.

A Drosophila génszekvenálási projekt 1991-ben kezdődött, amikor Jerry Rubin, a Kaliforniai Egyetem, Berkeley és Allen Spradling, a Carnegie Intézet munkatársa úgy döntött, ideje elvállalni a feladatot. 1998 májusára a szekvenálás 25%-a már befejeződött, és tettem egy javaslatot, amely Rubin szerint „túl jó ahhoz, hogy kihagyjuk”. Az ötletem meglehetősen kockázatos volt: különböző országokból származó gyümölcslégykutatók ezreinek kellett alaposan megvizsgálniuk a megszerzett kód minden betűjét, összehasonlítva Jerry saját, jó minőségű referenciaadataival, majd következtetést levonni a módszerem alkalmasságáról. .

Az eredeti terv az volt, hogy 1999 áprilisáig hat hónapon belül befejezik a légygenom szekvenálását, majd megkezdik az emberi genom elleni támadást. Számomra úgy tűnt, hogy ez volt a leghatékonyabb és legvilágosabb módja annak bizonyítására, hogy új módszerünk működik. És ha nem járunk sikerrel, gondoltam, akkor jobb lesz ezt gyorsan ellenőrizni Drosophila példáján, mint az emberi genomon dolgozva. Valójában azonban a teljes kudarc lenne a leglátványosabb kudarc a biológia történetében. Jerry is kockára tette a hírnevét, így a Celeránál mindenki eltökélten támogatta őt. Megkértem Mark Adamst, hogy vezesse a mi részét a projektben, és mivel Jerrynek is volt egy csúcskategóriás csapata a Berkeley-ben, az együttműködésünk simán ment.

Mindenekelőtt az a kérdés merült fel, hogy milyen tisztaságú a DNS, amelyet szekvenálnunk kellett. Az emberekhez hasonlóan a legyek is genetikai szinten változnak. Ha egy populációban több mint 2% genetikai variáció van, és 50 különböző egyed van a kiválasztott csoportban, akkor a dekódolás nagyon nehéznek bizonyul. Jerry első lépése az volt, hogy a lehető legnagyobb mértékben beltenyésztette a legyeket, hogy egységes DNS-változatot kapjunk. A beltenyésztés azonban nem volt elegendő a genetikai tisztaság biztosításához: a légy DNS-ének kinyerésekor fennállt a veszélye annak, hogy a légy táplálékában vagy a beleiben lévő baktériumsejtek genetikai anyagával szennyeződnek. E problémák elkerülése érdekében Jerry szívesebben vonta ki a DNS-t légyembriókból. De még az embrionális sejtekből is először el kellett izolálnunk a sejtmagokat a szükséges DNS-sel, hogy ne szennyezzük be a mitokondriumok - a sejt „erőművei” - extranukleáris DNS-ével. Ennek eredményeként kaptunk egy kémcsövet tiszta Drosophila DNS zavaros oldatával.

1998 nyarán Ham csapata, akik ilyen tiszta légy DNS-sel rendelkeztek, elkezdték létrehozni a töredékeiből a könyvtárakat. Ham maga szeretett leginkább DNS-t vágni és átfedni a keletkező töredékeket, csökkentve ezzel a hallókészülék érzékenységét, hogy semmilyen idegen hang ne vonja el a figyelmét a munkájáról. A könyvtárak létrehozása a nagyszabású szekvenálás kezdete lehetett volna, de eddig csak fúrók, kalapácsok és fűrészek hangja hallatszott mindenhol. Építők egész hada szorongatta folyamatosan a közelben, és folytattuk a legfontosabb problémák megoldását - a szekvenszerek, robotok és egyéb berendezések működésének hibaelhárítását, nem évek, hanem hónapok alatt próbáltunk egy igazi szekvenáló „gyárat” létrehozni. " a semmiből.

Az első Model 3700 DNS-szekvenátort 1998. december 8-án szállították a Celerának nagy izgalommal és közös megkönnyebbüléssel. A készüléket kiszedték egy fadobozból, a pincében lévő ablaktalan helyiségbe helyezték – annak ideiglenes otthonába, és azonnal megkezdték a tesztelést. Amikor elkezdett működni, nagyon jó minőségű eredményeket kaptunk. De ezek a korai szekvencerek meglehetősen instabilok voltak, és néhányuk már a kezdetektől fogva hibás volt. A munkásokkal is állandó problémák voltak, néha szinte naponta. Például egy komoly hiba jelent meg a robotmanipulátor vezérlőprogramjában - néha a robot mechanikus karja nagy sebességgel kinyúlt a készülék fölé, és a falnak ütközött. Ennek eredményeként a szekvenszer leállt, és javítócsapatot kellett hívni a javításhoz. Néhány szekvenszer meghibásodott a szórt lézersugarak miatt. A túlmelegedés elleni védelem érdekében fóliát és szalagot használtunk, mivel magas hőmérsékleten a sárga színű Gs-fragmensek elpárologtak a szekvenciákról.

Bár az eszközöket mostanra rendszeresen szállították, körülbelül 90%-uk kezdettől fogva hibás volt. Néhány napon a szekvenszerek egyáltalán nem működtek. Szilárdan hittem Mike Hunkapillerben, de nagyon megrendült a hitem, amikor elkezdte az alkalmazottainkat hibáztatni, az építési port, a legkisebb hőmérséklet-ingadozást, a holdfázisokat stb. Néhányan közülünk még meg is őszültek a stressztől.

A halott 3700-asok a kávézóban ültek, és arra vártak, hogy visszaküldjék őket az ABI-hoz, és végül eljutott odáig, hogy gyakorlatilag a szekvencerek hullaházában kellett ebédelnünk. Kétségbeestem - elvégre minden nap szükségem volt bizonyos számú működő eszközre, mégpedig 230-ra! Körülbelül 70 millió dollárért az ABI megígérte, hogy vagy 230 tökéletesen működő eszközt biztosít számunkra, amelyek egész nap megszakítás nélkül működnek, vagy 460-at, amelyek legalább fél napig működnek. Ráadásul Mike-nak meg kellett volna dupláznia a képzett műszaki személyzet számát, hogy meghibásodás után azonnal megjavítsák a szekvenszereket.

Azonban mi érdeke mindezt ugyanazért a pénzért csinálni! Ráadásul Mike-nak van egy másik ügyfele is – egy kormányzati genomikai projekt, amelynek vezetői már megkezdték több száz eszköz vásárlását mindenféle tesztelés nélkül. A Celera jövője ezektől a szekvenszerektől függött, de Mike láthatóan nem vette észre, hogy az ABI jövője is tőlük függ. A konfliktus elkerülhetetlen volt, amint az nyilvánvaló volt az ABI mérnökei és csapatom közötti fontos találkozón a Celerában.

Miután beszámoltunk a rengeteg hibás műszerről és arról, hogy mennyi ideig tartott a szekvenszerhibák kijavítása, Mike ismét megpróbálta az összes felelősséget az alkalmazottaimra hárítani, de még a saját mérnökei sem értettek egyet vele. Tony White végül közbelépett. „Nem érdekel, mennyibe kerül, vagy kit kell megölni érte” – mondta. Aztán először és utoljára valóban az én oldalamra állt. Megparancsolta Mike-nak, hogy a lehető leggyorsabban biztosítsa az új szekvenszerek szállítását, még a többi vásárló költségére is, és még akkor is, ha még nem ismert, hogy mennyibe kerül.

Tony arra is utasította Mike-ot, hogy vegyen fel további húsz technikust, hogy gyorsan megjavítsák és meghatározzák az összes probléma okát. Valójában ezt könnyebb volt mondani, mint megtenni, mert a tapasztalt munkavállalók hiánycikké váltak. Kezdetben Eric Lander két legképzettebb mérnököt csapott le, és Mike véleménye szerint mi is hibáztunk. Mark Adamshez fordulva Mike azt mondta: – Előbb kellett volna felvenned őket, mint valaki más. Egy ilyen kijelentés után teljesen elvesztettem minden tiszteletem iránta. Hiszen megállapodásunk szerint nem vehettem fel ABI-alkalmazottakat, míg Landernek és a kormányzati genomprojekt más vezetőinek joga volt ehhez, így hamarosan a legjobb ABI mérnökök kezdtek dolgozni versenytársainknak. A találkozó végére rájöttem, hogy a problémák továbbra is fennállnak, de a javulás reménye felvillant.

Így is történt, bár nem azonnal. A szekvenszer-arzenálunk 230-ról 300-ra nőtt, és ha 20-25%-uk meghibásodott, akkor is körülbelül 200 működő szekvenszerünk maradt, és valahogy megbirkóztunk a feladatokkal. A műszaki személyzet hősiesen dolgozott, és folyamatosan növelte a javítási munkák ütemét, csökkentve az állásidőt. Egész idő alatt egy dologra gondoltam: amit csinálunk, az megvalósítható. A kudarcok ezer okból következtek be, de a kudarc nem szerepelt a terveim között.

Április 8-án kezdtük el komolyan a Drosophila genom szekvenálását, nagyjából akkor, amikor be kellett volna fejeznünk ezt a munkát. Természetesen megértettem, hogy White meg akar szabadulni tőlem, de mindent megtettem a fő feladat elvégzése érdekében. Feszültség és szorongás kísértett otthon, de ezeket a problémákat nem tudtam megbeszélni „bizalmasommal”. Claire megvetését fejezte ki, amikor látta, mennyire foglalkoztatnak Celera ügyei. Úgy érezte, ugyanazokat a hibákat ismétlem, amiket a TIGR/HGS-nél követtem el. Július 1-jén mélyen depressziósnak éreztem magam, akárcsak Vietnamban.

Mivel a szállítószalagos módszer még nem működött nálunk, kemény, kimerítő munkát kellett végeznünk - a genom fragmentumokat „visszaragasztani”. Az egyezések felismerésére anélkül, hogy az ismétlések elterelnék a figyelmét, Gene Myers egy algoritmust javasolt, amely a shotgun módszerem változatának kulcsfontosságú elvén alapul: szekvenciálja az összes kapott klón mindkét végét. Mivel Ham három pontosan ismert méretű klónt kapott, tudtuk, hogy a két terminális szekvencia szigorúan meghatározott távolságra van egymástól. Mint korábban, ez az „illesztési” módszer kiváló lehetőséget ad a genom újraösszeállítására.

De mivel a szekvencia minden végét külön-külön szekvenciálták, ahhoz, hogy ez az összeállítási módszer pontosan működjön, gondos nyilvántartást kellett vezetni - hogy teljesen biztosak lehessünk abban, hogy az összes végsorozatpárt helyesen tudtuk összekötni: végül is, ha legalább száz próbálkozásból egy hibához vezet, és nem talál egy párat a konzisztencia érdekében, minden a lefolyóba megy, és a módszer nem fog működni. Ennek elkerülésének egyik módja a vonalkódok és érzékelők használata a folyamat egyes lépéseinek nyomon követésére. Ám a munka kezdetén a laboránsok nem rendelkeztek a szekvenáláshoz szükséges szoftverekkel és felszereléssel, így mindent kézzel kellett elvégezniük. A Celeránál egy húsz főből álló kis csapat rekord 200 000 klónt dolgozott fel naponta. Előreláthattunk néhány hibát, például 384 kút adatainak félreolvasását, majd a számítógép segítségével megtalálhatjuk az egyértelműen hibás műveletet és kijavíthatjuk a helyzetet. Természetesen voltak még hiányosságok, de ez csak megerősítette a csapat ügyességét és magabiztosságát, hogy ki tudjuk küszöbölni a hibákat.

Minden nehézség ellenére négy hónap alatt 3156 millió szekvenciát tudtunk leolvasni, összesen mintegy 1,76 milliárd nukleotidpárt tartalmazott 1,51 millió DNS-klón vége között. Most Gene Myersen, csapatán és a számítógépünkön volt a sor – az összes metszetet Drosophila kromoszómákká kellett összeilleszteni. Minél hosszabbak lettek a szakaszok, annál kevésbé lett pontos a sorrend. A Drosophila esetében a szekvenciák átlagosan 551 bázispárt jelentettek, és az átlagos pontosság 99,5% volt. Az 500 betűből álló sorozatok alapján szinte bárki megtalálhatja az egyezéseket úgy, hogy az egyik sorozatot a másik mentén mozgatja, amíg egyezést nem talál.

A Haemophilus influenzae szekvenciájához 26 ezer szekvenciánk volt. Ahhoz, hogy mindegyiket összehasonlítsuk az összes többivel, 26 ezer négyzetre, vagyis 676 millióra lenne szükség. A Drosophila genom 3,156 millió leolvasásával körülbelül 9,9 billió összehasonlítást igényelne. Az ember és az egér esetében, ahol 26 millió szekvencialeolvasást végeztünk, körülbelül 680 billió összehasonlításra volt szükség. Ezért nem meglepő, hogy a legtöbb tudós nagyon szkeptikus volt e módszer lehetséges sikerét illetően.

Bár Myers megígérte, hogy mindent megjavít, állandóan kétségei voltak. Most éjjel-nappal dolgozott, kimerültnek és valahogy szürkének tűnt. Ráadásul a családjában is voltak problémák, szabadidejének nagy részét James Shreve újságíróval kezdte tölteni, aki írt a projektünkről, és árnyékként követte a kutatás menetét. Megpróbáltam valahogy elterelni Gene figyelmét, és magammal vittem a Karib-tengerre, hogy pihenjek és vitorlázzam a jachtomon. De még ott is órákon át ült, a laptopja fölé görnyedve, összeráncolta fekete szemöldökét, és hunyorította fekete szemét a ragyogó naptól. És a hihetetlen nehézségek ellenére Gene és csapata hat hónap alatt több mint félmillió sor számítógépes kódot tudott generálni az új assembler számára.

Ha a szekvenálási eredmények 100%-ban pontosak lennének, DNS duplikáció nélkül, a genom összeállítása viszonylag egyszerű feladat lenne. A valóságban azonban a genomok nagyszámú, különböző típusú, hosszúságú és gyakoriságú ismétlődő DNS-t tartalmaznak. Az ötszáz bázispárnál rövidebb ismétlések viszonylag könnyen kezelhetők, a hosszabb ismétlődések nehezebbek. A probléma megoldására „párkereső” módszert alkalmaztunk, vagyis minden klón mindkét végét szekvenáltuk, és különböző hosszúságú klónokat kaptunk, hogy biztosítsuk az egyezések maximális számát.

A Jin csapatának félmillió sornyi számítógépes kódjába kódolt algoritmusok lépésről lépésre forgatókönyvet javasoltak – a „legártalmatlanabb” műveletektől, mint például két szekvencia egyszerű átfedése, a bonyolultabbakig, mint például az észlelt párok használata. átfedő sorozatok szigeteinek összevonása. Olyan volt, mint egy puzzle összerakása, ahol az összerakott részek kis szigeteiből nagyobb szigetek keletkeznek, majd az egész folyamat megismétlődik. Csak a mi rejtvényünkben volt 27 millió darab. És nagyon fontos volt, hogy a metszeteket egy kiváló minőségű összeállítás sorozatából hozzuk: képzeljük el, mi történne, ha összeállítunk egy puzzle-t, és az elemeinek színei vagy képei homályosak és elmosódottak. A genomszekvencia nagy hatótávolságú sorrendje esetén a leolvasások jelentős részének egyező párok formájában kell lennie. Tekintettel arra, hogy az eredményeket továbbra is manuálisan követték nyomon, megkönnyebbülten tapasztaltuk, hogy a sorozatok 70%-a pontosan ilyen. A számítógépes modellezők elmagyarázták, hogy alacsonyabb százalékossággal lehetetlen lett volna a „Humpty Dumpty”-t összeállítani.

Most pedig a Celera assembler segítségével szekvenciálhattuk a sorrendet: az első szakaszban az eredményeket a legnagyobb pontosság elérése érdekében korrigáltuk; a második lépésben a Screener program eltávolította a szennyező szekvenciákat a plazmidból vagy az E. coli DNS-ből. Az összeszerelési folyamatot akár 10 bázispár is megzavarhatja az „idegen” szekvencia. A harmadik lépésben a Screener program ellenőrizte, hogy minden egyes fragmentum megfelel-e a gyümölcslégy genomjának ismert ismétlődő szekvenciáinak – Jerry Rubin adatai szerint, aki „kedvesen” átadta nekünk azokat. Rögzítettük a részben átfedő régiókkal rendelkező ismétlődések helyét. A negyedik lépésben egy másik program (Overlapper) úgy fedezte fel az átfedő területeket, hogy minden egyes töredéket az összes többivel összehasonlított – ez óriási kísérlet volt hatalmas mennyiségű numerikus adat feldolgozásával. Másodpercenként 32 millió töredéket hasonlítottunk össze, hogy legalább 40 átfedő bázispárt találjunk 6%-nál kisebb eltérésekkel. Amikor két átfedő régiót fedeztünk fel, egy nagyobb töredékbe, az úgynevezett „contig”-be egyesítettük őket – átfedő töredékek halmazává.

Ideális esetben ez elegendő lenne a genom összeállításához. De meg kellett küzdenünk a DNS-kód dadogásával és ismétlődéseivel, ami azt jelentette, hogy egy DNS-darab több különböző régióval átfedhetett, hamis kapcsolatokat hozva létre. A feladat egyszerűsítése érdekében csak egyedileg összefüggő töredékeket, az úgynevezett „egységeket” hagytuk meg. A művelet végrehajtására használt program (Unitigger) lényegében eltávolította az összes olyan DNS-szekvenciát, amelyet nem tudtunk biztosan azonosítani, és csak ezek az egységek maradtak meg. Ez a lépés nemcsak lehetőséget adott a töredékek összeállításának más lehetőségeinek mérlegelésére, hanem jelentősen leegyszerűsítette a feladatot. A csökkentést követően az átfedő töredékek száma 212 millióról 3,1 millióra csökkent, a feladat pedig 68-szorosára egyszerűsödött. A puzzle darabjai fokozatosan, de folyamatosan a helyükre kerültek.

És akkor felhasználhatnánk az ugyanazon klón szekvenciáinak párosítására vonatkozó információkat egy „csontváz” algoritmus segítségével. Az összes lehetséges, egymást átfedő bázispárral rendelkező egységet speciális keretekbe vonták össze. Előadásaim ezen szakaszának leírására a Tinkertoys gyermekjáték-építőkészlettel vonok analógiát. Különböző hosszúságú pálcákból áll, melyeket a fából készült kulcselemeken (labdákon és korongokon) elhelyezett lyukakba lehet beilleszteni, és így háromdimenziós szerkezetet alkotni. Esetünkben a kulcselemek egységek. Tudva, hogy a páros szekvenciák a 2 ezer, 10 ezer vagy 50 ezer bázispár hosszúságú klónok végén helyezkednek el - vagyis úgy tűnik, hogy bizonyos számú lyuk távolságra vannak egymástól - sorba rendezhetők.

Ennek a technikának a tesztelése Jerry Rubin szekvenciáján, amely a gyümölcslégy genomjának körülbelül egyötöde volt, mindössze 500 hézagot eredményezett. Augusztusban saját adatainkon tesztelve több mint 800 000 apró töredéket kaptunk. A feldolgozásra szánt lényegesen nagyobb mennyiségű adat azt mutatta, hogy a technika rosszul működött – az eredmény a vártnak az ellenkezője lett. A következő napokban egyre nőtt a pánik, és meghosszabbodott a lehetséges hibák listája. A 2-es számú épület legfelső emeletéről adrenalin áradt be a tréfásan „nyugodt kamrának” nevezett helyiségbe. Ott azonban nem volt semmi béke vagy nyugalom, főleg legalább néhány hétig, amikor az alkalmazottak szó szerint körbe-körbe vándoroltak, keresve a kiutat a helyzetből.

A problémát végül Arthur Delcher oldotta meg, aki az Overlapper programmal dolgozott. Valami furcsaságot vett észre a 150 000 kódsor 678. sorában, ahol egy kisebb eltérés azt jelentette, hogy a mérkőzés egy fontos részét nem rögzítették. A hibát kijavították, és szeptember 7-én 134 sejtes állványunk volt, amely a tényleges (eukromatikus) gyümölcslégy genomot fedte. Örültünk, és megkönnyebbülten felsóhajtottunk. Eljött az idő, hogy sikereinket bejelentsük az egész világnak.

Erre kiváló alkalmat adott a Genom Sequencing Conference, amelynek több éve elkezdtem házigazdája lenni. Biztos voltam benne, hogy nagyon sokan lesznek kíváncsiak arra, hogy betartottuk-e az ígéretünket. Úgy döntöttem, hogy Mark Adamsnek, Gene Myersnek és Jerry Rubinnak meg kell beszélnie az elért eredményeinket, és mindenekelőtt a szekvenálási folyamatról, a genom összeállításáról és ennek a tudomány számára való jelentőségéről. A konferenciára özönlő emberek miatt át kellett helyeznem a Hilton Headből a nagyobb Fontainebleau Hotelbe Miamiban. A konferencián nagy gyógyszer- és biotechnológiai cégek képviselői, genomikus kutatással foglalkozó szakemberek a világ minden tájáról, meglehetősen sok rovatvezető, riporter és befektetési társaságok képviselői vettek részt – mindenki ott volt. Incyte versenytársaink rengeteg pénzt költöttek a konferencia utáni fogadás megszervezésére, céges videózásra stb. – mindent megtettek azért, hogy meggyőzzék a közvéleményt arról, hogy „a legrészletesebb információkat az emberi genomról” kínálják.

Egy nagy konferenciateremben gyűltünk össze. Semleges színekkel díszített, falilámpákkal díszített, kétezer főre tervezték, de folyamatosan jöttek az emberek, és hamarosan zsúfolásig megtelt a terem. A konferencia 1999. szeptember 17-én nyílt meg, az első ülésen Jerry, Mark és Gene előadásaival. Rövid bevezető után Jerry Rubin bejelentette, hogy a közönség híres cégek legjobb közös projektjéről fog hallani, amelyben valaha is részt vett. A légkör felforrósodott. A közönség rájött, hogy nem beszélt volna ilyen nagyképűen, ha nem készítettünk volna valami igazán szenzációsat.

Az ezt követő csendben Mark Adams elkezdte részletesen leírni a celerai „gyártott üzletünk” munkáját és új genomszekvenálási módszereinket. Az összerakott genomról azonban egy szót sem szólt, mintha a közönséget ugratná. Aztán Gene kijött és beszélt a shotgun módszer alapelveiről, a Haemophilus szekvenálásáról és az assembler főbb szakaszairól. Számítógépes animáció segítségével bemutatta a fordított genom összeállítás teljes folyamatát. A prezentációkra szánt idő fogyott, és sokan már akkor eldöntötték, hogy minden csak egy PowerPoint segítségével végzett elemi prezentációra korlátozódik, konkrét eredmények bemutatása nélkül. Ekkor azonban Gene rosszindulatú mosollyal megjegyezte, hogy a közönség valószínűleg mégis szeretne valódi eredményeket látni, és nem elégszik meg egy utánzattal.

Lehetetlen volt világosabban és kifejezőbben bemutatni eredményeinket, mint Gene Myers tette. Rájött, hogy a szekvenálási eredmények önmagukban nem keltenek megfelelő benyomást, ezért, hogy meggyőzőbb legyen, összevetette azokat Jerry alapos, hagyományos módszerrel végzett kutatásának eredményeivel. Kiderült, hogy egyformák! Így Jin összehasonlította genom-összeállításunk eredményeit az összes ismert markerrel, amelyet évtizedekkel ezelőtt a gyümölcslégy genomjára térképeztek fel. A több ezer jelző közül csak hat nem egyezik a mi összeállításunk eredményével. Mind a hat alapos vizsgálatával megbizonyosodtunk arról, hogy a Celera szekvenálása helyes, és a más laboratóriumokban, régi módszerekkel végzett munkákban hibák találhatók. Végül Gene azt mondta, hogy most kezdtük el az emberi DNS szekvenálását, és az ismétlődések valószínűleg kisebb problémát jelentenek, mint a Drosophila esetében.

Hangos és hosszan tartó taps következett. A szünetben nem szűnő üvöltés azt jelentette, hogy elértük a célunkat. Az egyik újságíró észrevette, hogy a kormányzati genomprojekt egyik résztvevője szomorúan csóválja a fejét: „Úgy tűnik, ezek a gazemberek tényleg mindent megtesznek.” 1 Új energiával távoztunk a konferenciáról.

Két fontos probléma maradt hátra, mindkettő ismerős volt számunkra. Az első az eredmények közzététele. Annak ellenére, hogy szándéknyilatkozatot írtunk alá Jerry Rubinnal, üzleti csapatunk nem volt elégedett azzal a gondolattal, hogy az értékes Drosophila szekvenálási eredményeket átadja a GenBanknak. Javasolták, hogy a gyümölcslégy-szekvenálás eredményeit egy külön adatbázisban helyezzék el az Országos Biotechnológiai Információs Központban, ahol mindenki egy feltétellel - nem kereskedelmi célokra - használhatja azokat. Az Európai Bioinformatikai Intézettől a forró kedélyű, láncdohányzó Michael Ashburner rendkívül boldogtalan volt emiatt. Úgy vélte, hogy Celera „mindenkit átvert” 2. (Rubinnak ezt írta: „Mi a fene folyik a Celerában?” 3) Collins szintén boldogtalan volt, de ami még fontosabb, Jerry Rubin is. Végül mégis elküldtem az eredményeinket a GenBanknak.

A második probléma a Drosophilával kapcsolatos – megvoltak a genomjának szekvenálásának eredményei, de egyáltalán nem értettük, mit jelentenek. Elemeznünk kellett őket, ha dolgozatot akartunk írni, akárcsak négy évvel ezelőtt a Haemophilus esetében. A légy genomjának elemzése és jellemzése több mint egy évig is eltarthat – erre pedig nem volt időm, mert most az emberi genomra kellett koncentrálnom. Miután megbeszéltük ezt Jerryvel és Markkal, úgy döntöttünk, hogy bevonjuk a tudományos közösséget a Drosophila-val kapcsolatos munkába, izgalmas tudományos problémává alakítva azt, és így gyorsan továbbvisszük az ügyet, szórakoztató nyaralást téve a genomleírás unalmas folyamatából. mint egy nemzetközi cserkészdzsembori. Genomic Jamboree-nak hívtuk, és vezető tudósokat hívtunk meg a világ minden tájáról, hogy jöjjenek el Rockville-be körülbelül egy hétre vagy tíz napra, hogy elemezzék a légy genomját. A kapott eredmények alapján cikksorozat megírását terveztük.

Mindenkinek tetszett az ötlet. Jerry elkezdte kiküldeni a meghívókat a rendezvényünkre vezető kutatók csoportjainak, a Celera bioinformatikai szakemberei pedig eldöntötték, milyen számítógépekre és programokra lesz szükség ahhoz, hogy a tudósok munkája a lehető leghatékonyabb legyen. Megállapodtunk, hogy Celera fizeti az utazási és szállásköltségüket. A meghívottak között voltak a legkeményebb kritikusaim is, de reméltük, hogy politikai ambícióik nem befolyásolják vállalkozásunk sikerét.

Novemberben mintegy 40 Drosophila specialista érkezett hozzánk, és az ajánlat még ellenségeink számára is túl vonzó volt ahhoz, hogy visszautasítsák. Először, amikor a résztvevők rájöttek, hogy néhány napon belül több mint százmillió bázispárt kell elemezniük a genetikai kódot, a helyzet meglehetősen feszült volt. Amíg az újonnan érkezett tudósok aludtak, munkatársaim éjjel-nappal dolgoztak, programokat fejlesztettek ki az előre nem látható problémák megoldására. A harmadik nap végére, amikor kiderült, hogy az új szoftvereszközök – ahogy egyik vendégünk mondta – „elképesztő felfedezéseket tesznek néhány óra alatt, amelyek korábban szinte egy életen át tartottak”, a helyzet megnyugodott. Minden nap a nap közepén a kínai gong jelzésére mindenki összegyűlt, hogy megvitassák a legfrissebb eredményeket, megoldják az aktuális problémákat és munkatervet dolgozzanak ki a következő fordulóra.

Napról napra érdekesebbé váltak a beszélgetések. A Celera jóvoltából vendégeinknek lehetőségük nyílt arra, hogy elsőként tekinthessenek egy új világba, és ami kiderült, minden várakozást felülmúlt. Hamar kiderült, hogy nincs elég időnk megbeszélni mindent, amit akartunk, és megérteni, mit jelent ez az egész. Mark ünnepi vacsorát rendezett, ami nem tartott sokáig, mert mindenki gyorsan visszasietett a laborba. Hamarosan az ebédeket és vacsorákat közvetlenül a számítógép képernyői előtt fogyasztották el, és a Drosophila genomjára vonatkozó adatok jelentek meg. Először fedezték fel a receptorgének régóta várt családját, valamint meglepően sok, az emberi betegségek génjeihez hasonló gyümölcslégygént. Minden felfedezést örömteli sikolyok, füttyszó és barátságos vállveregetések kísértek. Meglepő módon tudományos lakománk közepette egy pár talált időt az eljegyzésre.

Volt azonban némi aggodalom: a munka során a tudósok a várt 20 ezer gén helyett csak mintegy 13 ezer gént fedeztek fel. Mivel az „alacsony” C. elegans féregnek körülbelül 20 ezer génje van, sokan úgy gondolták, hogy a gyümölcslégynek többnek kell lennie, hiszen 10-szer több sejtje van, és még idegrendszere is van. Egy egyszerű módszer volt annak biztosítására, hogy a számításokban ne legyen hiba: vegyük a légy 2500 ismert génjét, és nézzük meg, hányat találunk belőlük a szekvenciánkban. Alapos elemzés után Michael Cherry, a Stanford Egyetem munkatársa arról számolt be, hogy hat gén kivételével mindegyik gént megtalálta. A megbeszélés után ezt a hat gént műterméknek minősítették. Az a tény, hogy a géneket hiba nélkül azonosították, inspirált és önbizalmat adott. A Drosophila-kutatásnak szentelt tudósok ezreiből álló közösség évtizedeket töltött ennek a 2500 génnek a nyomon követésével, és most már 13 600-an voltak előttük a számítógép képernyőjén.

A munkavégzés elkerülhetetlen fotózásán egy felejthetetlen pillanat jött: a hagyományos vállveregetés és barátságos kézfogások után Mike Ashburner négykézlábra szállt, hogy a hátára tett lábbal megörökítsem magam a fotón. . Így hát – minden kétsége és szkepticizmusa ellenére – elismerést akart adni eredményeinknek. A híres genetikus és Drosophila-kutató még egy megfelelő feliratot is kitalált a fotóhoz: „Egy óriás vállán állva”. (Elég törékeny alkatú volt.) „Adjunk hitelt azoknak, akik megérdemlik” – írta később 4 . Ellenfeleink megpróbálták ígéreteinktől való eltérésként bemutatni a szekvenálási eredmények nyilvános adatbázisba átvitelének késését, de kénytelenek voltak elismerni, hogy a találkozó „rendkívül értékes hozzájárulást jelentett a globális gyümölcslégy-kutatáshoz” 5 . Miután megtapasztalták, mi az igazi „tudományos nirvána”, mindenki barátként vált el egymástól.

Úgy döntöttünk, hogy három nagy tanulmányt teszünk közzé: egyet a teljes genom szekvenálásáról Mike-kal az első szerzővel, egyet a genom összeállításáról Gene-vel, mint első szerzővel, a harmadikat pedig a féreg, élesztő és emberi genom összehasonlító genomikájával, Jerryvel elsőként. szerző. A dolgozatokat 2000 februárjában nyújtották be a Science-nek, és egy különszámban 2000. március 24-én publikálták, kevesebb mint egy évvel azután, hogy Cold Spring Harborban beszélgettem Jerry Rubinnal. 6 A megjelenés előtt Jerry megszervezte, hogy felszólaljak a Pittsburgh-i éves Drosophila Research Conference-en, amelyen a terület legkiválóbb emberei százai vettek részt. A szoba minden székére munkatársaim elhelyeztek egy CD-t, amely a teljes Drosophila genomot, valamint a Science-ben megjelent dolgozataink utánnyomatait tartalmazza. Jerry nagyon melegen bemutatott, és biztosította a tömeget, hogy minden kötelezettségemnek eleget tettem, és jól dolgoztunk együtt. Előadásom a találkozó során végzett kutatások egy részével kapcsolatos beszámolóval és a CD-n található adatok rövid kommentárjával zárult. A beszédemet követő taps ugyanolyan meglepő és kellemes volt, mint öt évvel ezelőtt, amikor Ham és én először bemutattuk a Haemophilus genomot egy mikrobiológiai kongresszuson. Ezt követően a Drosophila genomról szóló tanulmányok váltak a tudománytörténet leggyakrabban idézett közleményeivé.

Bár gyümölcslégykutatók ezrei örültek az eredményeknek szerte a világon, kritikusaim gyorsan támadásba lendültek. John Sulston kudarcnak nevezte a légy genomjának szekvenálására tett kísérletet, annak ellenére, hogy az általunk kapott szekvencia teljesebb és pontosabb volt, mint a féreg genomjának szekvenálására tett, tíz éven át tartó fáradságos erőfeszítés eredménye, amelynek befejezése további négy évig tartott. miután a tervezetet megjelentették a Science-ben. Sulston kollégája, Maynard Olson „szégyennek” nevezte a Drosophila genomszekvenciát, amelyet a kormány Humán Genom Projektjének kellene megoldania Celera „kegyéből”. Valójában Jerry Rubin csapata gyorsan be tudta zárni a szekvencia fennmaradó hézagait azáltal, hogy kevesebb, mint két év alatt publikálta és összehasonlító elemzésével elemezte a már megszekvenált genomot. Ezek az adatok megerősítették, hogy 1-2 hibánk volt 10 kb-onként a teljes genomban, és kevesebb, mint 1 hibánk 50 kb-onként a működő (eukromatikus) genomban.

A Drosophila projekt általános elismerése ellenére azonban a feszültségek a Tony White-tal való kapcsolatomban 1999 nyarán lázas emelkedést mutattak. White nem tudott megnyugodni azzal a figyelemmel, amelyet a sajtó a személyemre fordított. Valahányszor Celerába érkezett, az irodám melletti folyosón a falakon lógó cikkek másolatai mellett haladt el az elért eredményeinkről. És itt kinagyítottuk az egyiket - a USA Today újság vasárnapi mellékletének címlapját. Ezen a címszó alatt: „Ez a KALANDOR megteszi korunk legnagyobb tudományos felfedezését?” A 7 kék kockás ingben mutatta, keresztbe tettem a lábaimat, körülöttem Kopernikusz, Galilei, Newton és Einstein lebegett a levegőben – Fehérnek nyoma sem.

Sajtótitkára minden nap felhívott, hátha Tony részt vehet a Celerában zajló interjúk végtelennek tűnő folyamában. Kicsit megnyugodott – és akkor is csak rövid időre, amikor a következő évben sikerült elérnie, hogy fényképe a Forbes magazin címlapjára kerüljön, mint az az ember, aki 1,5 milliárd dollárról 24 milliárd dollárra tudta növelni a PerkinElmer kapitalizációját 8 . („Tony White szegény PerkinElmert high-tech génfogóvá változtatta.”) Tonyt is kísértették a társasági tevékenységeim.

Körülbelül hetente egyszer tartottam egy előadást, és elfogadtam annak a rengeteg meghívásnak a töredékét, amelyet folyamatosan kaptam, mert a világ tudni akart a munkánkról. Tony még az addig PE Corporation-re átkeresztelt PerkinElmer igazgatótanácsánál is panaszkodott, hogy utazásaim és megjelenéseim megsértették a vállalati szabályokat. Egy kéthetes nyaralás alatt (saját költségemen) a Cape Cod-i otthonomban, Tony a Celerába repült Dennis Winger pénzügyi igazgatóval és az Applera főtanácsadójával, William Sauch-cal, hogy interjút készítsen a legjobb alkalmazottaimmal a „Venter vezetési hatékonyságáról”. Abban reménykedtek, hogy összegyűjtenek annyi koszt, hogy igazolják az elbocsátásomat. White megdöbbent, amikor mindenki azt mondta, hogy ha én kilépek, ők is felmondanak. Ez sok feszültséget okozott a csapatunkban, de közelebb hozott is minket egymáshoz, mint valaha. Készek voltunk minden győzelmet úgy ünnepelni, mintha az lenne az utolsó.

A légy genomszekvenciájának közzététele után – amely akkoriban a történelem legnagyobb szekvenciája – Gene, Ham, Mark és én azt mondták, hogy elég sokáig álltunk Tony White mellett ahhoz, hogy elismerjék sikerünket. Bebizonyítottuk, hogy módszerünk az emberi genom szekvenálásánál is beválik. Még ha Tony White másnap leállítja is a finanszírozást, tudtuk, hogy a fő eredményünk továbbra is velünk marad. Mindennél jobban szerettem volna elhagyni a Celerát, és nem kell foglalkoznom Tony White-tal, de mivel még jobban meg akartam szekvenálni a Homo sapiens genomját, kompromisszumot kellett kötnöm. Amennyire csak tudtam, igyekeztem White kedvében járni, csak hogy folytassam a munkát és teljesítsem a tervemet.

Megjegyzések

1. Shreeve J. A genomháború: Hogyan próbálta Craig Venter megragadni az élet kódját és megmenteni a világot (New York: Ballantine, 2005), p. 285.

2. Ashburner M. Won for All: How the Drosophila Genome Was Sequenced (Cold Spring Harbor Laboratory Press, 2006), p. 45.

3. Shreeve J. The Genome War, p. 300.

4. Ashburner M. Won for All, p. 55.

5. Sulston J., Ferry G. The Common Thread (London: Corgi, 2003), p. 232.

6. Adams M. D., Celniker S. E. et al. "The Genome Sequence of Drosophila Melanogaster", Science, 287. sz., 2185–95, 2000. március 24.

7. Gillis J. „Ez a MAVERICK feltárja kora legnagyobb tudományos felfedezését? Kopernikusz, Newton, Einstein és VENTER?”, USA hétvége, 1999. január 29–31.

8. Ross P. E. „Gene Machine”, Forbes, 2000. február 21.

Craig Venter

Minta az Összoroszországi Biológiai tesztből

11. évfolyam

Útmutató a munka elvégzéséhez

A teszt 14 feladatot tartalmaz. A biológia munka elvégzésére 1 óra 30 perc (90 perc) áll rendelkezésre.

A feladatokra adott válaszok egy számsor, egy szám, egy szó (kifejezés) vagy egy rövid szabad válasz, amelyet a munka számára fenntartott helyre írunk le. Ha hibás választ ír le, húzza át, és írjon mellé egy újat.

A feladatok elkészítésekor használhat vázlatot. A tervezetben szereplő bejegyzéseket nem veszik figyelembe a munka minősítésekor. Javasoljuk, hogy a feladatokat a megadott sorrendben végezze el. Időmegtakarítás érdekében hagyjon ki egy olyan feladatot, amelyet nem tud azonnal végrehajtani, és lépjen a következőre. Ha az összes munka elvégzése után marad ideje, visszatérhet az elmulasztott feladatokhoz.

Az elvégzett feladatokért kapott pontok összegzésre kerülnek.

Próbálj meg minél több feladatot teljesíteni, és szerezd meg a legtöbb pontot.

Magyarázatok az összoroszországi tesztmunka mintájához

Amikor megismerkedik egy minta tesztmunkával, ne feledje, hogy a mintában szereplő feladatok nem tükrözik mindazokat a készségeket és tartalmi kérdéseket, amelyeket az összoroszországi tesztmunka részeként tesztelnek. A munkában kipróbálható tartalmi elemek és készségek teljes listája a tartalmi elemek és követelmények kodifikátorában található a diplomások képzési szintjére a biológia CD kidolgozásához. A minta tesztmunka célja, hogy képet adjon a VPR felépítéséről, a feladatok számáról és formájáról, valamint azok összetettségi szintjéről.

1. A kísérlet során a kísérletvezető megvilágította a csepp egy részét a benne lévő amőbákkal. Rövid idő elteltével a protozoonok aktívan elkezdtek mozogni egy irányba.

1.1. Az élőlények milyen tulajdonságát szemlélteti a kísérlet?

Magyarázat: az élő szervezeteknek 7 tulajdonsága van (ezekkel a tulajdonságokkal különböznek az élőlények az élettelenektől): táplálkozás, légzés, ingerlékenység, mozgékonyság, kiválasztás, szaporodás, növekedés. Az amőbák a csepp világos részétől a sötét rész felé mozognak, mivel reagálnak a fényre, vagyis kiválasztjuk a tulajdonságot - ingerlékenységet.

Válasz: ingerlékenység.

1.2. Mondjon példát hasonló jelenségre növényekben!

Magyarázat: ide bármilyen példát írhatunk a növények reakciójára (ingerlékenység megnyilvánulására).

Válasz: ragadozó berendezés zárása húsevő növényeknél VAGY levelek nap felé fordulása vagy napraforgó mozgása napközben, VAGY szárak hajlítása a táj (környezet) változásai miatt.

2. Az erdő szélén számos növény, állat, gomba és mikroorganizmus él és kölcsönhatásba lép egymással. Vegyünk egy csoportot, amely magában foglalja a viperát, a sast, a sündisznót, az életre kelő gyíkot és a szöcskét. Végezze el a feladatokat.

2.1. Jelölje meg a fenti csoportba tartozó fényképeken és rajzokon látható tárgyakat.

1 - életre kelő gyík

2 - vipera

3 - sündisznó csapat

4 - közönséges szöcske

5 - sas

2.2. Osztályozza ezeket a szervezeteket a táplálékláncban elfoglalt helyük szerint. Minden cellába írja be a csoportban található objektumok számát vagy nevét.

Tápláléklánc: sündisznó - közönséges szöcske - életre kelő gyík - vipera - sas.

Magyarázat: a táplálékláncot a termelővel (zöld növény - szerves anyagok termelője) kezdjük - a sünnel, majd az I. rendű fogyasztóval (a fogyasztók szerves anyagokat fogyasztanak és több rendelésük van) - a közönséges szöcskével, életre kelő gyíkkal (2. rendű fogyasztó) , vipera (3. rendű fogyasztó), sas (4. rendű fogyasztó).

2.3. Hogyan befolyásolja a sasok számát a sünök létszámának csökkenése a csapatban? Válaszát indokolja.

Válasz: amikor a sündisznók száma a csapatban csökken, az összes következő komponens és végső soron a sasok száma csökken, vagyis a sasok száma csökken.

3. Nézze meg a képet, amely a szén körforgásának diagramját mutatja a természetben. Tüntesse fel az anyag nevét kérdőjellel.

Magyarázat: A kérdőjel a szén-dioxidot (CO2) jelöli, mivel a CO2 a szerves anyagok égése, légzése és bomlása során keletkezik, illetve fotoszintézis során keletkezik (és vízben is oldódik).

Válasz: szén-dioxid (CO2).

4. Péter egyenlő mennyiségű enzimet és szubsztrátját keverte össze 25 kémcsőben. A csöveket ugyanannyi ideig különböző hőmérsékleten hagytuk, és mértük a reakciósebességet. A kísérlet eredményei alapján Péter grafikont készített (az x tengely a hőmérsékletet (Celsius fokban), az y tengely pedig a reakciósebességet (tetszőleges mértékegységben) mutatja.

Ismertesse egy enzimreakció sebességének a hőmérséklettől való függését!

Válasz: amikor a hőmérséklet 30 C-ra emelkedik, a reakciósebesség nő, majd csökkenni kezd. Az optimális hőmérséklet 38 C.

5. Állítsa be a biológiai rendszerek elemeinek alárendeltségi sorrendjét, a legnagyobbtól kezdve!

Hiányzó elemek:

1 személy

2. Bicepsz

3. Izomsejt

4. Kéz

5. Aminosav

6. Aktin fehérje

Írd le a megfelelő számsort!

Magyarázat: Az elemeket a legmagasabb szinttől kezdve rendezi el:

az ember organizmus

kéz - orgona

bicepsz - szövet

izomsejt – sejtes

aktin fehérje - molekuláris (a fehérjék aminosavakból állnak)

aminosav - molekuláris

Válasz: 142365.

6. A fehérjék számos fontos funkciót látnak el az emberi és állati szervezetben: építőanyaggal látják el a szervezetet, biológiai katalizátorok vagy szabályozók, mozgást biztosítanak, és részben oxigént szállítanak. Annak érdekében, hogy a szervezet ne tapasztaljon problémákat, egy személynek napi 100-120 g fehérjére van szüksége.

6.1. A táblázat adatai alapján számolja ki, hogy egy személy mennyi fehérjét kapott vacsora közben, ha az étrendjében 20 g kenyér, 50 g tejföl, 15 g sajt és 75 g tőkehal szerepelt. Válaszát kerekítse egész számokra.

Magyarázat: 100 g kenyér 7,8 g fehérjét tartalmaz, majd 20 g kenyér 5-ször kevesebb fehérjét tartalmaz - 1,56 g. 100 g tejföl 3 g fehérjét tartalmaz, majd 50 g 2-szer kevesebb - 1,5 g. 100 g sajtban - 20 g fehérje, 15 g sajtban - 3 g, 100 g tőkehalban - 17,4 g fehérje, 75 g tőkehalban - 13,05 g.

Összesen: 1,56 + 1,5 + 3 + 13,05 = 19,01 (ami körülbelül 19).

Válasz: 19

VAGY

6.1. Egy személy ivott egy csésze erős kávét, amely 120 mg koffeint tartalmazott, amely teljesen felszívódik és egyenletesen oszlott el a vérben és más testnedvekben. A vizsgált személynél a testnedvek térfogata 40 liternek tekinthető. Számítsa ki, hogy fogyasztás után (órákban) mennyi idővel szűnik meg a koffein erre a személyre, ha a koffein 2 mg/l koncentrációban megszűnik, és koncentrációja óránként 0,23 mg-mal csökken. Válaszát kerekítse tizedekre.

Magyarázat: 120 mg koffein oszlott el az emberi szervezetben 40 literes térfogatban, vagyis a koncentráció 3 mg/l lett. 2 mg/l koncentrációnál a koffein megszűnik, azaz már csak 1 mg/l hatásos. Az óraszám meghatározásához 1 mg/l-t elosztunk 0,23 mg-mal (koncentráció csökkenés óránként), 4,3 órát kapunk.

Válasz: 4,3 óra.

6.2. Nevezze meg az emésztőrendszer mirigyei által termelt enzimek egyikét:

Válasz: a gyomor fala pepszint termel, amely savas környezetben a fehérjéket dipeptidekre bontja. A lipáz lebontja a lipideket (zsírokat). A nukleázok lebontják a nukleinsavakat. Az amiláz lebontja a keményítőt. A maltáz a maltózt glükózzá bontja. A laktáz a laktózt glükózra és galaktózra bontja. Egy enzimet kell írni.

7. Határozza meg a felsorolt ​​betegségek eredetét! Írja be az egyes betegségek számát a táblázat megfelelő cellájába. A táblázat celláiba több szám is írható.

Az emberi betegségek listája:

1. Hemofília

2. Bárányhimlő

3. Skorbut

4. Szívinfarktus

5. Kolera

Magyarázat: Lásd: Humán betegségek a CDF-hez

8. A genealógiai módszert széles körben alkalmazzák az orvosi genetikában. Egy személy törzskönyvének összeállításán és egy adott tulajdonság öröklődésének tanulmányozásán alapul. Az ilyen vizsgálatok során bizonyos jelöléseket használnak. Tanulmányozd egy részletet egy család családfájából, amelynek néhány tagja összeolvadt fülcimpájával.

A javasolt séma segítségével határozza meg, hogy ez a tulajdonság domináns vagy recesszív, és hogy kapcsolódik-e a nemi kromoszómákhoz.

Magyarázat: a tulajdonság recesszív, mivel az első generációban egyáltalán nem, a második generációban pedig már csak a gyermekek 33%-ánál jelenik meg. A tulajdonság nem kötődik a nemhez, mivel fiúknál és lányoknál egyaránt megjelenik.

Válasz: recesszív, nem szexhez kötött.

9. Vlagyimir mindig is durva hajat akart, mint az apja (domináns tulajdonság (A)). De a haja puha volt, akár az anyjáé. Határozza meg a családtagok genotípusát a haj minősége alapján. Írja be a válaszait a táblázatba.

Magyarázat: a puha haj recesszív tulajdonság (a), az apa erre a tulajdonságra heterozigóta, mivel a fiú homozigóta recesszív (aa), akárcsak az anya. Azaz:

R: Aa x aa

G: Ah, a x a

F1: Aa – a durva hajú gyermekek 50%-a

aa - puha hajú gyermekek 50%-a.

Válasz:

Anya	Apa	Fiú
ahh	Ahh	ahh

10. Ekaterina úgy döntött, hogy donorként vért ad. Vérvételkor kiderült, hogy Katalin III. Ekaterina tudja, hogy édesanyja I-es vércsoportú.

10.1. Milyen vérfajta lehet Catherine apjának?

Magyarázat: a táblázat adatai alapján Katalin apjának III-as vagy IV-es vércsoportja lehet.

Válasz: III vagy IV.

10.2. A vérátömlesztés szabályai alapján határozza meg, hogy Catherine lehet-e véradó az apja számára.

Magyarázat: Az I-es vércsoportú Ekaterina univerzális donor (feltéve, hogy az Rh-faktorok egyeznek), azaz vért lehet adni tőle az apjának.

Válasz: talán.

11. Az ábrán látható organellum feladata a szerves anyagok oxidációja és az energia tárolása az ATP szintézise során. Ezen organellum belső membránja fontos szerepet játszik ezekben a folyamatokban.

11.1. Mi ennek az organellumnak a neve?

Válasz: A képen egy mitokondrium látható.

11.2. Magyarázza el, hogy az organellumban lévő belső membrán tömítése hogyan kapcsolódik az általa betöltött funkcióhoz.

Válasz: a belső membrán redői segítségével megnöveli az organellum belső felületét és nagyobb számú szerves anyag oxidálható, valamint nagyobb mennyiségű ATP termelődik az ATP szintázokkal - enzimatikus komplexekkel, amelyek termelnek. energia ATP (a fő energiamolekula) formájában.

12. Az mRNS-fragmens szekvenciája a következő:

UGCGAAUGUUUUGTSUG

Határozza meg annak a DNS-szakasznak a szekvenciáját, amely ennek az RNS-molekula szintézisének templátjaként szolgált, valamint annak a fehérjének a szekvenciáját, amelyet ez az mRNS-fragmens kódol. A feladat elvégzésekor használja a komplementaritás szabályát és a genetikai kódtáblázatot!

A táblázat használatának szabályai

A triplett első nukleotidja a bal függőleges sorból származik; a második - a felső vízszintes sorból és a harmadik - a jobb függőleges sorból. Ahol a három nukleotidból érkező vonalak metszik egymást, ott található a kívánt aminosav.

Magyarázat: ossza fel a szekvenciát triplettekre (mindegyik három nukleotid): UGC GAA UGU UUG TsUG. Írjuk fel a megfelelő nukleotidszekvenciát a DNS-be (a nukleotidok fordított komplementer szekvenciája, figyelembe véve, hogy A-T (RNS-ben U), G-C.

Vagyis a DNS-lánc: ACG CTT ACA AAU GAU.

Az RNS-szekvencia segítségével megtaláljuk a megfelelő aminosav-szekvenciát. Az első aminosav a cisz, majd a glu, cisz, leu, leu.

Fehérje: cisz-glu-cisz-ley-ley.

12.3. A paradicsom genomjának megfejtésekor azt találták, hogy egy DNS-molekula fragmentumában a timin aránya 20%. A Chargaff-szabály segítségével, amely leírja a DNS-ben található különböző típusú nitrogénbázisok közötti mennyiségi összefüggéseket (G+T = A+C), számítsuk ki a citozint tartalmazó nukleotidok mennyiségét (%-ban) ebben a mintában.

Magyarázat: ha a timin mennyisége 20%, akkor az adenin mennyisége is 20% (mivel komplementerek). 60% marad a guaninra és a citozinra (100 - (20 + 20)), azaz egyenként 30%.

Válasz: a citozin 30%-át teszi ki.

13. A modern evolúcióelmélet a következő diagrammal ábrázolható.

Válasz: valószínűleg a zsiráf ősei eltérő nyakhosszúságúak voltak, de mivel a zsiráfoknak el kellett érniük a magasan növő zöld leveleket, így csak a hosszú nyakú zsiráfok maradtak életben, vagyis a legalkalmasabbak (ez a tulajdonság nemzedékről generációra fűződött, ez a populáció genetikai összetételének megváltozásához vezetett). Így a természetes szelekció során csak a leghosszabb nyakú egyedek maradtak életben, és a nyak hossza fokozatosan nőtt.

14. A képen a cordaite látható, egy kihalt fás szárú gymnosperm növény, amely 370-250 millió évvel ezelőtt élt.

A geokronológiai táblázat egy töredékével határozza meg a korszakot és az időszakokat, amikor ez az organizmus élt. Milyen növények voltak a lehetséges őseik?

Geokronológiai táblázat

Magyarázat: A gymnospermek valószínűleg a paleozoikum korszakában jelentek meg. időszakok: perm, karbon (esetleg devon). Páfrányokból származtak (a paleozoikum korszakában a primitívebb növények virágoztak, a gymnospermek pedig széles körben elterjedtek és virágoztak a mezozoikum korszakában).

Korszak: paleozoikum

Korszakok: perm, karbon, devon

Lehetséges ősei: páfrányok

2 018 Az Orosz Föderáció Oktatási és Tudományos Felügyeleti Szövetségi Szolgálata

teljesen meghatározott. Ezért a fonálféreg genomjának megfejtésére irányuló munkát nagyon sikeresnek kell tekinteni.

Még nagyobb siker jár a Drosophila genomjának megfejtésével, csak in

2-szer kisebb, mint az emberi DNS és 20-szor nagyobb, mint a fonálféreg DNS. A Drosophila nagyfokú genetikai ismerete ellenére a génjeinek körülbelül 10%-a ismeretlen volt a mai napig. De a legparadoxabb az, hogy a fonálférgéhez képest sokkal jobban szervezett Drosophila kevesebb gént tartalmaz, mint egy mikroszkopikus orsóféreg! Modern biológiai szempontból ezt nehéz megmagyarázni. A Drosophila génjénél több gén is jelen van a keresztesvirágúak családjába tartozó növény – az Arabidopsis – megfejtett genomjában, amelyet a genetikusok klasszikus kísérleti objektumként széles körben használnak.

A genomikai projektek fejlesztését a tudomány és a technológia számos területén intenzív fejlődés kísérte. Így a bioinformatika erőteljes lendületet kapott a fejlődéséhez. Hatalmas mennyiségű információ tárolására és feldolgozására új matematikai apparátust hoztak létre; soha nem látott teljesítményű szuperszámítógépes rendszereket terveztek; Programok ezrei készültek, amelyek segítségével néhány perc alatt elvégezhető a különböző információblokkok összehasonlító elemzése, naponta új adatok bevitele számítógépes adatbázisokba,

a világ különböző laboratóriumaiban megszerzett, és az új információkat a korábban felhalmozotthoz igazítják. Ezzel párhuzamosan rendszereket fejlesztettek ki a genom különböző elemeinek hatékony izolálására és az automatikus szekvenálásra, azaz a DNS nukleotid szekvenciájának meghatározására. Ennek alapján nagy teljesítményű robotokat terveztek, amelyek jelentősen felgyorsítják a szekvenálást és olcsóbbá teszik azt.

A genomika fejlődése viszont rengeteg új tény felfedezéséhez vezetett. Sokuk jelentőségét még fel kell mérni

jövő. De még most is nyilvánvaló, hogy ezek a felfedezések számos elméleti álláspont újragondolásához vezetnek a földi élet különféle formáinak megjelenésével és fejlődésével kapcsolatban. Hozzá fognak járulni az egyes sejtek működésének hátterében álló molekuláris mechanizmusok és kölcsönhatásaik jobb megértéséhez; sok még ismeretlen biokémiai ciklus részletes dekódolása;

alapvető élettani folyamatokkal való kapcsolatuk elemzése.

Így van egy átmenet a szerkezeti genomikától a

funkcionális, ami viszont megteremti az előfeltételeket

a sejtek és a szervezet egészének működésének molekuláris alapjainak kutatása.

A most felhalmozott információk az elemzés tárgyát képezik

a következő néhány évtizedben. De minden következő lépésnél

A különböző fajok genomjainak szerkezetének megfejtésének iránya új technológiákat eredményez, amelyek megkönnyítik az információszerzés folyamatát. Így,

az alacsonyabb rendű élőlényfajok génjeinek szerkezetére és működésére vonatkozó adatok felhasználása jelentősen felgyorsíthatja a keresést

meglehetősen munkaigényes molekuláris módszereket váltanak fel a gének keresésében.

Egy adott faj genomszerkezetének megfejtésének legfontosabb következménye az összes gén azonosításának képessége,

ennek megfelelően az átírt RNS-molekulák és valamennyi fehérje molekuláris természetének azonosítása és meghatározása. A genommal analóg módon megszületett a transzkripció eredményeként létrejövő RNS-molekulák halmazát egyesítő transzkriptom és a sok gének által kódolt fehérjét magában foglaló iproteom fogalma. Így a genomika megteremti az alapot az új tudományok intenzív fejlődéséhez – a proteomika ill transzkriptomika. A proteomika az egyes fehérjék szerkezetének és működésének tanulmányozása; a sejt fehérje összetételének elemzése; az egyedi sejt működésének molekuláris alapjainak meghatározása, amely az

sok száz fehérje összehangolt munkájának eredménye, ill

egy szervezet fenotípusos tulajdonságának kialakulásának tanulmányozása,

sejt milliárdjainak összehangolt munkájának eredményeként.

RNS szinten is nagyon fontos biológiai folyamatok játszódnak le. Elemzésük a transzkriptomika tárgya.

A világ számos országából származó, a genomika területén dolgozó tudósok legnagyobb erőfeszítései a „Human Genome” nemzetközi projekt megoldására irányultak. Jelentős előrelépés ezen a területen az ötlet megvalósításához kapcsolódik,

J. S. Venter javasolta, keressen és elemezzen

expresszált DNS-szekvenciák, amelyek később a genom bizonyos régióinak egyfajta „címkéjeként” vagy markereként használhatók. Egy másik független és nem kevésbé gyümölcsöző megközelítést alkalmazott a Fr. által vezetett csoport munkájában.

Collins. Az örökletes emberi betegségek gének elsődleges azonosításán alapul.

Az emberi genom szerkezetének dekódolása szenzációs felfedezéshez vezetett. Kiderült, hogy az emberi genom mindössze 32 000 gént tartalmaz, ami többszöröse a fehérjék számának. Ugyanakkor mindössze 24 000 fehérjét kódoló gén létezik, a többi gének termékei RNS-molekulák.

A DNS-nukleotid szekvenciák hasonlóságának százalékos aránya a különböző egyének, etnikai csoportok és rasszok között 99,9%.

Ez a hasonlóság tesz minket emberré – Homo sapiens! Valamennyi variabilitásunk nukleotid szinten belefér egy nagyon szerény adatba - 0,1%.

Így a genetika nem hagy teret a nemzeti vagy faji felsőbbrendűség elképzeléseinek.

De nézzünk egymásra – mindannyian mások vagyunk. A nemzeti, és még inkább a faji különbségek még szembetűnőbbek. Tehát hány mutáció határozza meg az emberi változatosságot, nem százalékban, hanem abszolút értékben? Ennek a becslésnek a megszerzéséhez emlékeznie kell a genom méretére. Az emberi DNS-molekula hossza a

3,2x109 bázispár. Ennek 0,1%-a 3,2 millió nukleotid. De ne feledje, hogy a genom kódoló része a DNS-molekula teljes hosszának kevesebb, mint 3% -át foglalja el, és az ezen a régión kívüli mutációk leggyakrabban nincsenek hatással a fenotípusos variabilitásra. Így a fenotípust befolyásoló mutációk számának integrált becsléséhez a 3,2 millió nukleotid 3%-át kell figyelembe vennünk, ami 100 000 nagyságrendű számot ad. Vagyis körülbelül 100 ezer mutáció alkotja a fenotípusunkat. változékonyság. Ha ezt a számot összehasonlítjuk a gének teljes számával, akkor kiderül, hogy átlagosan 3-4 mutáció van génenként.

Mik ezek a mutációk? túlnyomó többségük (legalább 70%)

meghatározza egyéni nem kóros variabilitásunkat, mi különböztet meg bennünket, de nem ront egymáshoz képest. Ide tartoznak az olyan jellemzők, mint a szemszín, haj, bőr, testtípus, magasság, súly,

egyfajta viselkedés, amely szintén nagyrészt genetikailag meghatározott, és még sok más. A mutációk körülbelül 5%-a monogén betegségekkel függ össze. A fennmaradó mutációk körülbelül egynegyede a funkcionális polimorfizmusok osztályába tartozik. Részt vesznek a széles körben elterjedt multifaktoriális patológiára való örökletes hajlam kialakulásában. Természetesen ezek a becslések elég durvák,

de lehetővé teszik az emberi örökletes változékonyság szerkezetének megítélését.

1.16. Az evolúció molekuláris genetikai alapjai

A molekuláris biológia területén az ezredfordulón bekövetkezett forradalom, amely sok száz mikroorganizmusfaj, valamint egyes protozoafajok genomjának szerkezetének megfejtésével tetőzött,

Az élesztő, a növények, az állatok és az emberek felforgatták a klasszikus genetika számos hagyományos elképzelését, és nagyon közel hozta az evolúció és a fajképződés molekuláris mechanizmusainak tanulmányozásának lehetőségét. Új tudomány született - az összehasonlító genomika,

lehetővé téve az egyes molekulák szintjén bekövetkező, evolúciós szempontból jelentős események megjelenésének regisztrálását a különböző filogenetikai vonalakban. Kiderült, hogy általános esetben az evolúciós haladás nemcsak, és nem annyira a gének szerkezeti szerveződésének számának, mértékének, sőt összetettségének növekedésével, hanem sokkal inkább a szabályozás változásával jár. munkájukról, amely több tízezer gén expressziójának koordinációját és szövetspecifitását határozza meg. Ez végül ahhoz vezetett, hogy a magasabb rendű organizmusokban bonyolultabb, nagyon specifikus, többfunkciós, kölcsönhatásba lépő fehérjék komplexei jelentek meg, amelyek képesek alapvetően új feladatokat ellátni.

Tekintsük az evolúció folyamatában bekövetkező változások természetét három információs szinten: DNS - RNS - fehérje vagy genom - transzkriptom - proteom. Általánosságban elmondható, hogy az élet szerveződésének összetettségének növekedésével a genom mérete növekszik. Így a prokarióták DNS mérete nem haladja meg a 8x106 bp-ot, élesztőben és protozoonban kétszer akkora, rovarban 10-15-ször nagyobb lesz, emlősökben pedig eléri a 3 nagyságrendet, vagyis az ezerszeresét (103 ).

Ez a függőség azonban nem lineáris. Így az emlősökön belül már nem figyelhetünk meg szignifikáns genomméret-növekedést. Ráadásul nem mindig lehet megfigyelni a kapcsolatot a genom mérete és az élet szerveződésének összetettsége között. Így egyes növényekben a genom mérete egy nagyságrenddel vagy akár két nagyságrenddel nagyobb, mint az emberé. Emlékezzünk vissza, hogy az eukarióták genomméretének növekedése a prokariótákhoz képest elsősorban a nem kódoló szekvenciák, vagyis az opcionális elemek megjelenése miatt következik be. Már mondtuk, hogy az emberi genomban az exonok összesen nem haladják meg az 1-3%-ot. Ez azt jelenti, hogy a magasabb rendű élőlényekben a gének száma csak többszöröse lehet, mint a mikroorganizmusokban.

Az eukarióta szerveződés egyre összetettebbé válását részben magyarázza egy további szabályozási rendszer megjelenése, amely szükséges

a génexpresszió szövetspecifitásának biztosítása. Az eukariótákban megjelent gének nem folytonos szerveződésének egyik következménye az alternatív splicing és alternatív transzkripció széles körben elterjedése volt. Ez egy új tulajdonság megjelenéséhez vezetett hatalmas számú génben - a több funkcionálisan eltérő fehérjeizoform kódolásának képességéhez. Így a fehérjék teljes mennyisége

vagyis a proteom mérete, a magasabbak többszörös számú gént tartalmazhatnak.

A prokariótákban a gének számának intraspecifikus variabilitása megengedett, ill

hasonló különbségek sok mikroorganizmus különböző törzsei között, in

a kórokozókat is beleértve, több tíz százalékot is elérhet. Ezenkívül a különböző típusú mikroorganizmusok szerveződésének összetettsége közvetlenül korrelál a kódoló szekvenciák számával és hosszával.

Így a fenotípusos intra- és interspecifikus variabilitás szoros kapcsolatban áll a nagyon hasonló transzkriptom- és proteomméretekkel. Az eukariótákban a gének száma egy szigorúan meghatározott fajjellemző, és az evolúciós komplexitás növekedése egy másik elven alapul - egy korlátozott és meglehetősen stabil proteom különböző összetevőinek eltérő többszintű felhasználásán.

A fonálférgek és a Drosophila genomjának szekvenálása azt mutatta, hogy ezekben a nagyon különböző fajokban a proteomok mérete nagyon hasonló, és csak kétszer akkora, mint az élesztőké és bizonyos típusú baktériumoké. Ez a mintázat – a különféle életformák szerveződésének összetettségének jelentős növekedése a proteom méretének fenntartása mellett vagy viszonylag kismértékű növekedése – jellemző minden későbbi evolúcióra egészen az emberig. Így,

Az emberek és az egerek proteomjai gyakorlatilag nem különböznek egymástól, és mérete kevesebb, mint 2-szer nagyobb, mint a mikroszkopikus méretű fonálféreg vagy a Drosophila gyümölcslégy proteomjai. Sőt, a humán DNS nukleotid szekvenciáinak azonossága és

emberszabású majmok aránya 98,5%, a kódoló régiókban pedig eléri a 99%-ot. Ezek az adatok alig térnek el a 99,9%-os értéktől.

a DNS nukleotid szekvenciák intraspecifikus hasonlóságának meghatározása bolygónkon élő különböző egyének, népek és fajok között. Tehát milyen változások, amelyek a teljes genom legfeljebb 1,5%-át teszik ki, kulcsfontosságúak az ember kialakulásában? A választ erre a kérdésre láthatóan nem csak a genomikai és a proteomikai szinten kell keresni.

Valójában a proteom relatív stabilitásával együtt, in

Az evolúció folyamatában az eukarióta transzkriptom szerveződésének mérete és összetettsége meredeken növekszik, mivel a genomban hatalmas számú átírt és nem kódoló DNS jelenik meg, valamint jelentős mértékben bővül RNS-kódoló gének osztálya. fehérjéket nem kódoló RNS-ek, amelyek fő forrásai az intronok,

a magasabb rendű szervezetek transzkriptumának túlnyomó többségét alkotják,

eléri az összes transzkripciós egység 97-98%-át. Ezeknek a molekuláknak a funkcióit jelenleg intenzíven elemzik.

Így a kulcsfontosságú evolúciós változások a genom méretének növekedése, a meglehetősen stabil proteom és a transzkriptom méretének meredek növekedése hátterében következnek be – 1. 31.

31. ábra Háromban bekövetkező evolúciós változások

információs szintek Ugyanakkor nyilvánvaló az átmenet az egyszerű életformáktól a bonyolultabbak felé

korrelál a genomban két alapvető és bizonyos mértékig egymással összefüggő evolúciós képződmény megjelenésével és széleskörű elterjedésével: a nem kódoló DNS és az ismétlődő elemek. Ezeknek a genomi szinten végbemenő változásoknak a közvetlen következménye, hogy az evolúció folyamatában hatalmas számú, nem fehérjét kódoló RNS jelenik meg.

Mi ezeknek az evolúciós átalakulásoknak a szerkezeti alapja?

Az összes jelentősebb evolúciós átmenetet: a prokariótáktól az eukariótákig, a protozoonoktól a metazoákig, az első állatoktól a bilaterikusokig és a primitív chordáktól a gerincesekig a genom összetettségének erőteljes növekedése kísérte. Nyilvánvalóan az evolúcióban bekövetkezett ilyen ugrások annak a ritka esetnek a következményei, amikor a szisztematikus osztályokhoz tartozó különböző fajok teljes genomja sikeresen egyesült, és amelyek egymástól jelentős távolságra eltértek. Így az Archaea és a Baktériumok szimbiózisa a prokariótákból az eukariótákba való átmenet kezdetét jelentette. Nyilvánvaló, hogy az endoszimbiózis eredményeként megjelentek a mitokondriumok, a kloroplasztiszok és néhány más sejtszervecskék is. A magasabb rendű eukarióták egyik alapvető tulajdonsága, a diploidia, a körülbelül 500 millió évvel ezelőtti jól szabályozott genomiális megkettőződés eredményeként jött létre.

Egy fajon belüli genomiális megkettőződések meglehetősen gyakran előfordultak, és

erre példa számos növényi poliploidia,

gombáknál, sőt néha állatoknál is. Azonban lehetséges mechanizmusok

Az evolúció során alapvetően új életformák megjelenéséhez nem az autopoliploidia, hanem a hibridizáció és a genomok horizontális transzfere vagy fúziója vezet. Figyelemre méltó, hogy a legjelentősebb evolúciós átalakulások, amelyek teljes genomok összeolvadásával járnak, rendkívüli körülmények között, jelentős geológiai átalakulások időszakaiban mennek végbe, mint például a légkör oxigénkoncentrációjának változása, a Föld eljegesedése vagy a kambrium. Robbanás.

Viszonylag nyugodt geológiai viszonyok között az egyes gének vagy kromoszómaszegmensek megkettőződése és az azt követő divergenciák az evolúció szempontjából jelentősebbnek bizonyulnak. A szekvenált genomok nukleotidszekvenciájának összehasonlítása azt mutatja, hogy a génduplikációk gyakorisága meglehetősen magas, és átlagosan 0,01 génenként egy millió évre vetítve. Ezek túlnyomó többsége nem jelenik meg a következő néhány millió évben, és csak ritka esetekben

Bizonyos esetekben a duplikált gének új adaptív funkciókra tehetnek szert. A „néma” génduplikációk nagy csoportja azonban egyfajta tartalékalapként szolgál új gének születéséhez és új fajok kialakulásához. Az emberi genom 10-20 ezer kópia feldolgozott gént tartalmaz, amelyek az mRNS retropozíciója révén keletkeztek.

Legtöbbjük a pszeudogének osztályába tartozik, azaz nem expresszálódnak sem mutációk jelenléte, sem a genom transzkripciósan inaktív régióiba való beépülések miatt. Néhány ilyen gének azonban aktívak, és expressziójuk természete, sőt funkcióik eltérőek lehetnek,

mint az alapító géneké.

Különleges szerepet játszanak a főemlősök és az emberek evolúciójában. szegmentális duplikációk, az alacsony másolati ismétlődések (LCR) osztályába tartozó és

kevesebb, mint 35 millió évvel ezelőtt keletkezett. Ezek a szekvenciák nagyon azonos DNS-blokkok, amelyek mérete egytől több száz kilobázisig terjed. Leggyakrabban a szegmentális duplikációk a különböző kromoszómák pericentromer vagy telomer régióiban lokalizálódnak, és összesen az emberi genom körülbelül 5% -át foglalják el.

Más szekvenált genomokban nem találtunk szegmentális duplikációt.

A szegmentális duplikáció minimális modulja, az úgynevezett duplikon, nem rokon, feldolgozatlan gének töredékeit tartalmazza, és

ez különbözteti meg az ismétlődő sorozatok más ismert típusaitól. Bizonyos körülmények között a duplikonok forrásként szolgálhatnak új kiméra átírt gének vagy géncsaládok létrehozásához a bennük lévő kódoló exonok különféle kombinációiból. Becslések szerint 150-350 gén különbözteti meg a csimpánz és az emberi genomot.

Anélkül, hogy csökkentené az új kódoló szekvenciák megjelenésének és a régi kódoló szekvenciák eltűnésének jelentőségét a speciáció szempontjából, hangsúlyoznunk kell más mechanizmusok létezésének valós lehetőségét,

döntő szerepet játszik az eukarióták evolúciójában.

Az evolúció egyik mozgatórugója a mobil elemek, amelyek minden e tekintetben vizsgált fajban megtalálhatók.

A speciálódási folyamatot kísérő genomiális változások magukban foglalhatnak kiterjedt kariotípus-átrendeződéseket, lokális kromoszóma-átrendeződéseket, géncsaládok duplikációit, egyedi gének módosulásait,

születésük vagy elvesztésük, valamint a génexpresszió különbségei kísérik, mind a transzkripció szintjén, mind a splicing vagy a transzláció szintjén. A mobil elemek közvetlenül kapcsolódnak mindezekhez a folyamatokhoz.

Egyes esetekben maguk a transzponálható elemek is hordoznak olyan enzimeket kódoló szekvenciákat, amelyek jelenléte szükséges a DNS-transzpozícióhoz vagy az RNS retropozíciójához.

Hasonló szekvenciák vannak jelen a retrovírusok genomjában, az LTR-

elemek és transzpozonok. A retrotranszpozonok közé tartozik a transzponálható elemek legnagyobb osztálya is – az Alu ismétlések. Először Alu-

az ismétlődések a főemlősökben körülbelül 50-60 millió évvel ezelőtt jelennek meg egy kis RNS-kódoló génből. A további fejlődés folyamatában ennek a családnak a szétválása és erőteljes felerősödése következik be. A főemlősökről az emberekre való átmenetet a számuk robbanásszerű növekedése kíséri

Alu ismétli, aminek a példányszáma egyes becslések szerint eléri

1,1 millió. Az alu ismétlődések az emberi genom körülbelül 10%-át foglalják el, de eloszlásuk egyenetlen, mivel többnyire génekhez kapcsolódnak. Ezek az elemek ritkán vannak jelen a kódoló exonokban, és meglehetősen gyakran megtalálhatók az mRNS intronjaiban és nem kódoló régióiban, befolyásolva ezeknek a molekuláknak a stabilitását és/vagy a transzlációs hatékonyságot. Az Alu szekvenciák jelenléte a gének intron régióiban a preRNS feldolgozás jellegének megváltozásával járhat, mivel ezek a szekvenciák donor és akceptor splice helyekkel homológ régiókat tartalmaznak. Ha Alu elemeket inszertálnak egy gén szabályozó régióiba, a transzkripció megszakadhat, ami

) megtalálható a gyümölcslégy genomjában ( Drosophila ananassae) egy parazita baktérium genomjának teljes másolata Wolbachia.

A Wolbachia baktérium a gazdasejtek citoplazmájában él, és arról ismert, hogy megtanulta finoman szabályozni gazdái szaporodását, fejlődését, sőt evolúcióját. Ezért gyakran nevezik „mikroba manipulátornak” vagy „a legyek urának” (mivel rovarsejtekben él).

A kutatás akkor kezdődött, amikor Julie Dunning-Hotopp, a JCVI munkatársa felfedezte, hogy egyes Wolbachia gének „együttműködnek” a Drosophila génekkel, mintha ugyanazon genom részei lennének.

Michael Clark, a Rochesteri Egyetem kutatója telepítette a kolóniát Drosophila ananassae a laboratóriumban, hogy Warrennel együtt megértsék, mi a titok.

A Wolbachia gén a Drosophila genomban (illusztráció a Rochesteri Egyetemről).

„Hónapokig azt hittem, tévedek valamiben – mondja Clarke. – Még azt is feltételeztem, hogy antibiotikum-rezisztencia alakult ki, mert minden Wolbachia gént újra és újra megtaláltam. Amikor végre elvettem a zsebkendőket, amelyeket néhány hónappal ezelőtt magamra hagytam, nem találtam meg magát Wolbachiát.

Warren és Clark most azt próbálják megérteni, mi az előnye egy ilyen nagy DNS-darab behelyezésének a Drosophila számára – talán az „idegen” gének új képességekkel látják el a gazdát.

Így a Wolbachia gének átjutnak a gazdaszervezet DNS-ébe (Nicolle Rager Fuller, National Science illusztrációja).

A tanulmány eredményeit a Science folyóiratban megjelent cikkben tették közzé. Ebben a szerzők azt sugallják, hogy a horizontális géntranszfer (a gének nem rokon fajok közötti átvitele) sokkal gyakrabban történik világunkban a baktériumok és a többsejtű szervezetek között, mint azt korábban gondolták.

A Wolbachia által a gazdáival végzett manipuláció molekuláris genetikai mechanizmusainak megfejtése új, erőteljes eszközöket kínál az ember számára az élő szervezetek és a természet egészének befolyásolására.

Azonban nem minden rovar érzékeny a Wolbachia rossz hatására. Például a szamoai szigetekről származó lepkék „megtanulták” megvédeni hímeiket. Kíváncsi vagyok, hogy a maláriás szúnyogok, amelyeket ezzel a baktériummal akarnak megfertőzni, megtanulnak-e harcolni ellene?