Hayot shifrlangan. Bitta biologik turning to‘liq genomi boshqasida topildi.Asosiysi ota-onani to‘g‘ri tanlash

DNK tuzilishi kashf etilganining 50 yilligiga

A.V. Zelenin

O'SIMLAR GENOMASI

A. V. Zelenin

Zelenin Aleksandr Vladimirovich- biologiya fanlari doktori,
nomidagi molekulyar biologiya instituti laboratoriya mudiri. V.A. Engelxardt RAS.

Inson genomi dasturining ajoyib yutuqlari, shuningdek, o'ta kichik (viruslar), kichik (bakteriyalar, xamirturushlar) va o'rta o'lchamli (yumaloq qurt, Drosophila) genomlarini ochish bo'yicha ishlarning muvaffaqiyati. katta va katta o'simlik genomlarini keng ko'lamli o'rganishga o'tish. Iqtisodiy jihatdan eng muhim o'simliklar genomlarini batafsil o'rganish zarurati 1997 yilda AQShda o'tkazilgan o'simliklar genomikasi bo'yicha yig'ilishda ta'kidlangan [,]. O‘shandan beri o‘tgan yillar davomida bu sohada shubhasiz muvaffaqiyatlarga erishildi. 2000 yilda kichik xantal - Arabidopsis genomining to'liq ketma-ketligi (barcha yadroviy DNKning chiziqli nukleotidlar ketma-ketligini o'rnatish) va 2001 yilda guruch genomining dastlabki (qoralama) sekvensiyasi bo'yicha nashr paydo bo'ldi. Katta va o'ta yirik o'simliklar genomlarini (makkajo'xori, javdar, bug'doy) ketma-ketlashtirish bo'yicha ishlar bir necha bor xabar qilingan, ammo bu xabarlarda aniq ma'lumotlar yo'q edi va ular niyat deklaratsiyasi edi.

O‘simliklar genomlarini dekodlash fan va amaliyot uchun keng istiqbollarni ochishi kutilmoqda. Avvalo, yangi genlarni aniqlash va ularning genetik regulyatsiyasi zanjiri biotexnologik yondashuvlarni qo'llash orqali o'simliklarning mahsuldorligini sezilarli darajada oshiradi. O'simlik organizmining ko'payish va mahsuldorlik, o'zgaruvchanlik jarayonlari, noqulay atrof-muhit omillariga qarshilik, shuningdek xromosomalarning gomologik juftlashuvi kabi muhim funktsiyalari uchun mas'ul bo'lgan genlarning kashf etilishi, izolyatsiyasi, ko'payishi (klonlanishi) va ketma-ketligi paydo bo'lishi bilan bog'liq. tanlash jarayonini takomillashtirish uchun yangi imkoniyatlar. Nihoyat, ajratilgan va klonlangan genlardan prinsipial yangi xossalarga ega bo‘lgan transgen o‘simliklarni olish va genlar faoliyatini tartibga solish mexanizmlarini tahlil qilish uchun foydalanish mumkin.

O'simlik genomlarini o'rganishning ahamiyati shu bilan ham ta'kidlanadiki, hozirgacha mahalliylashtirilgan, klonlangan va ketma-ket o'simlik genlari soni kam va turli hisob-kitoblarga ko'ra, 800 dan 1200 gacha o'zgarib turadi. Bu genomlarga nisbatan 10-15 barobar kam. masalan, odamlarda.

Qo'shma Shtatlar o'simliklar genomlarini keng ko'lamli o'rganishda shubhasiz etakchi bo'lib qolmoqda, garchi guruch genomi bo'yicha intensiv tadqiqotlar Yaponiyada va so'nggi yillarda Xitoyda olib borilmoqda. Arabidopsis genomini ochishda AQSh laboratoriyalaridan tashqari Yevropa tadqiqot guruhlari ham faol ishtirok etdi. Amerika Qo'shma Shtatlarining ko'zga ko'ringan rahbariyati evropalik olimlarni jiddiy tashvishga solmoqda, ular 2000 yil oxirida Frantsiyada bo'lib o'tgan "Postgenomik davrda genomikaning istiqbollari" deb nomlangan uchrashuvda aniq ifoda etdilar. Amerika ilm-fanining qishloq xo'jaligi o'simliklari genomlarini o'rganish va o'simliklarning transgen shakllarini yaratish bo'yicha rivojlanishi, evropalik olimlarning fikriga ko'ra, juda uzoq bo'lmagan kelajakda (yigirma yildan besh o'n yillikgacha) aholi sonining ko'payishi insoniyatni xavf ostiga qo'yadi. umumiy oziq-ovqat inqirozi, Yevropa iqtisodiyoti va ilm-fan Amerika texnologiyasiga qaram bo'lib qoladi. Shu munosabat bilan o‘simlik genomlarini (Plantgene) o‘rganish bo‘yicha Franko-Germaniya ilmiy dasturi yaratilishi va unga katta mablag‘lar kiritilishi e’lon qilindi.

Shubhasiz, o'simliklar genomikasi muammolari rossiyalik olimlar va fan tashkilotchilarining, shuningdek, boshqaruv organlarining diqqatini jalb qilishi kerak, chunki biz nafaqat ilmiy obro'-e'tibor, balki mamlakatning milliy xavfsizligi haqida gapiramiz. Bir yoki ikki o'n yillikda oziq-ovqat eng muhim strategik resursga aylanadi.

O'SIMLAR GENOMLARINI O'RGANISHDAGI QIYINCHILIKLAR

O'simliklar genomlarini o'rganish odam va boshqa hayvonlarning genomini o'rganishga qaraganda ancha murakkabroq vazifadir. Bu quyidagi holatlarga bog'liq:

alohida o'simlik turlari uchun o'nlab va hatto yuzlab milliardlab nukleotid juftlariga (bp) yetadigan ulkan genom o'lchamlari: asosiy iqtisodiy ahamiyatga ega o'simliklarning genomlari (guruch, zig'ir va paxtadan tashqari) inson genomiga yaqin yoki undan kattaroqdir. ko'p marta (jadval);

Turli o'simliklarda xromosomalar sonining keskin o'zgarishi - ba'zi turlarda ikkitadan, boshqalarida bir necha yuztagacha, genom hajmi va xromosomalar soni o'rtasidagi qat'iy bog'liqlikni aniqlash mumkin emas;

O'xshash, ammo bir xil bo'lmagan genomlarga ega bo'lgan poliploidning ko'pligi (har bir hujayrada ikkitadan ortiq genom mavjud) (allopoliploidiya);

O'simlik genomlarini (99% gacha) "ahamiyatsiz" (kodlanmagan, ya'ni genlarni o'z ichiga olmaydi) DNK bilan haddan tashqari boyitish, bu ketma-ket fragmentlarni umumiy kattalikka qo'shishni (to'g'ri tartibda joylashtirishni) sezilarli darajada murakkablashtiradi. o'lchamli DNK hududi (kontig);

Xromosomalarning to'liq bo'lmagan (Drosophila, odam va sichqon genomlari bilan solishtirganda) morfologik, genetik va fizik xaritasi;

Odam va hayvon xromosomalari uchun odatda qo'llaniladigan usullardan foydalangan holda individual xromosomalarni sof shaklda izolyatsiya qilishning amaliy mumkin emasligi (oqimlarni saralash va hujayra duragaylaridan foydalanish);

Gibridizatsiya yordamida individual genlarning xromosoma xaritasini (xromosomada joylashishini aniqlash) qiyinligi joyida, o'simlik genomlarida "ahamiyatsiz" DNKning yuqori miqdori va o'simlik xromosomalarining strukturaviy tashkil etilishining o'ziga xos xususiyatlari tufayli;

O'simliklarning hayvonlardan evolyutsion masofasi, bu o'simliklar genomlarini o'rganish uchun odamlar va boshqa hayvonlarning genomini ketma-ketlashtirish natijasida olingan ma'lumotlardan foydalanishni jiddiy ravishda murakkablashtiradi;

Ko'pgina o'simliklarning ko'payishining uzoq jarayoni, bu ularning genetik tahlilini sezilarli darajada sekinlashtiradi.

XROMOSOMAL GENOMLARNI TADQIQOTLAR

Umuman genomlar va xususan o‘simliklarning xromosoma (sitogenetik) tadqiqotlari uzoq tarixga ega. "Genom" atamasi 20-asrning birinchi choragida, ya'ni DNKning genetik ma'lumot tashuvchisi sifatidagi roli o'rnatilishidan ancha oldin, genlar bilan haploid (yagona) xromosomalar to'plamini bildirish uchun taklif qilingan.

Yangi, ilgari o'rganilmagan genetik ko'p hujayrali organizmning genomini tavsiflash odatda uning xromosomalarining to'liq to'plamini (karyotip) o'rganish va tavsiflashdan boshlanadi. Bu, albatta, o'simliklar uchun ham amal qiladi, ularning ko'pchiligi o'rganilmagan.

Xromosoma tadqiqotlari boshlanishida, turlararo duragaylarda meiotik konjugatsiya (homolog xromosomalarning birlashishi) tahlili asosida tegishli o'simlik turlarining genomlari taqqoslandi. So'nggi 100 yil ichida xromosoma tahlilining imkoniyatlari keskin kengaydi. Hozirgi vaqtda o'simliklar genomlarini tavsiflash uchun yanada ilg'or texnologiyalar qo'llaniladi: morfologik belgilar asosida individual xromosomalarni aniqlash imkonini beradigan differentsial bo'yash deb ataladigan turli xil variantlar; gibridlanish joyida, xromosomalarda o'ziga xos genlarni lokalizatsiya qilish imkoniyatini yaratish; hujayra oqsillarining biokimyoviy tadqiqotlari (elektroforez va immunokimyo) va nihoyat, xromosoma DNKsini uning ketma-ketligigacha tahlil qilishga asoslangan usullar to'plami.

Guruch. 1. Donli ekinlarning kariotiplari: a - javdar (14 xromosoma), b - qattiq bug'doy (28 xromosoma), c - yumshoq bug'doy (42 xromosoma), d - arpa (14 xromosoma)

Donli ekinlarning, birinchi navbatda, bug‘doy va javdarning kariotiplari ko‘p yillar davomida o‘rganilib kelinmoqda. Qizig'i shundaki, bu o'simliklarning turli xil turlarida xromosomalar soni har xil, ammo har doim ettitaga ko'payadi. Alohida don turlarini ularning karyotipi bilan ishonchli aniqlash mumkin. Misol uchun, javdar genomi uchlarida intensiv rangli geteroxromatik bloklarga ega bo'lgan ettita juft yirik xromosomalardan iborat bo'lib, ko'pincha segmentlar yoki bantlar deb ataladi (1a-rasm). Bug'doy genomlarida allaqachon 14 va 21 juft xromosomalar mavjud (1-rasm, b, c) va ulardagi geteroxromatik bloklarning tarqalishi javdar xromosomalari bilan bir xil emas. Bug'doyning A, B va D deb belgilangan individual genomlari ham bir-biridan farq qiladi.Xromosomalar sonining 14 dan 21 gacha ko'payishi bug'doy xossalarining keskin o'zgarishiga olib keladi, bu ularning nomlarida o'z aksini topadi: qattiq, yoki makaron, bug'doy va yumshoq, yoki non, bug'doy . Kleykovina oqsillari uchun genlarni o'z ichiga olgan D geni yumshoq bug'doyning yuqori pishirish xususiyatlariga ega bo'lishi uchun javobgardir, bu xamirga urug'lanish deb ataladi. Non bug'doyining seleksiyasini yaxshilashda aynan shu genomga alohida e'tibor beriladi. Boshqa 14 xromosomali don, arpa (1-rasm, d) odatda non tayyorlash uchun ishlatilmaydi, lekin u pivo va viski kabi keng tarqalgan mahsulotlarni ishlab chiqarish uchun asosiy xom ashyo bo'lib xizmat qiladi.

Eng muhim qishloq xo'jaligi turlarining sifatini yaxshilash uchun foydalaniladigan ba'zi yovvoyi o'simliklarning xromosomalari, masalan, bug'doyning yovvoyi qarindoshlari - Aegilops, intensiv o'rganilmoqda. Yangi o'simlik shakllari kesishish (2-rasm) va tanlash orqali yaratiladi. So'nggi yillarda tadqiqot usullarining sezilarli yaxshilanishi karyotip xususiyatlari (asosan kichik xromosoma o'lchamlari) ularni xromosoma tahlili uchun ilgari imkonsiz bo'lgan o'simliklar genomlarini o'rganishni boshlash imkonini berdi. Shunday qilib, yaqinda birinchi marta paxta, romashka va zig'irning barcha xromosomalari aniqlandi.

Guruch. 2. Bug'doy va bug'doyning kariotiplari-Aegilops duragaylari

a - geksaploid oddiy bug'doy ( Triticum astivum), A, B va O genomlaridan iborat; b - tetraploid bug'doy ( Triticum timopheevi), A va G genomlaridan iborat. ko'pchilik bug'doy kasalliklariga qarshilik ko'rsatadigan genlarni o'z ichiga oladi; c - duragaylar Triticum astivum X Triticum timopheevi, chang chiriyotgan va zangga chidamli, xromosomalarning bir qismini almashtirish aniq ko'rinadi.

DNKNING ASOSIY TUZILISHI

Molekulyar genetika rivojlanishi bilan genom tushunchasi kengayib bordi. Endi bu atama klassik xromosomada ham, zamonaviy molekulyar ma'noda ham talqin qilinadi: individual virus, hujayra va organizmning butun genetik materiali. Tabiiyki, bir qator mikroorganizmlar va odamlarning genomlarining to'liq birlamchi tuzilishini (nuklein kislota asoslarining to'liq chiziqli ketma-ketligi ko'pincha shunday deyiladi) o'rganib chiqqandan so'ng, o'simlik genomlarini ketma-ketlashtirish masalasi paydo bo'ldi.

Ko'pgina o'simlik organizmlaridan ikkitasi o'rganish uchun tanlangan - ikki pallalilar sinfini ifodalovchi Arabidopsis (genom hajmi 125 million bp) va bir pallalilar sinfidan sholi (420-470 million bp). Bu genomlar boshqa oʻsimlik genomlariga nisbatan kichik boʻlib, DNKning nisbatan kam takrorlanuvchi boʻlimlarini oʻz ichiga oladi. Bunday xususiyatlar tanlangan genomlarning birlamchi tuzilishini nisbatan tez aniqlash uchun foydalanish mumkinligiga umid berdi.

Guruch. 3. Arabidopsis - mayda xantal - xochga mixlangan oiladan kichik o'simlik ( Brassicaceae). Jurnalimizning bir sahifasi maydoniga teng bo'lgan maydonda mingtagacha Arabidopsis organizmlarini etishtirish mumkin.

Arabidopsisni tanlash uchun asos nafaqat uning genomining kichikligi, balki laboratoriya sharoitida o'sishini osonlashtiradigan organizmning kichik o'lchamlari edi (3-rasm). Biz uning qisqa reproduktiv tsiklini hisobga oldik, buning yordamida kesishish va tanlash tajribalarini, batafsil genetikani, o'sayotgan sharoitlarni o'zgartirish (tuproqning tuz tarkibini o'zgartirish, turli xil ozuqa moddalarini qo'shish va boshqalar) bilan manipulyatsiya qilish qulayligini tezda o'tkazish mumkin. turli mutagen omillar va patogenlar (viruslar, bakteriyalar, zamburug'lar) o'simliklarga ta'sirini tekshirish. Arabidopsisning iqtisodiy ahamiyati yo'q, shuning uchun uning genomi sichqoncha genomi bilan bir qatorda, mos yozuvlar genomi yoki, aniqrog'i, model genomi deb ataldi*.

* Rus adabiyotida "model genom" atamasining paydo bo'lishi inglizcha model genom iborasining noto'g'ri tarjimasi natijasidir. “Model” so‘zi nafaqat “model” sifatdoshini, balki “namuna”, “standart”, “model” otlarini ham anglatadi. Namuna genomi yoki mos yozuvlar genomi haqida gapirish to'g'riroq bo'ladi.

Arabidopsis genomini ketma-ketlashtirish bo'yicha jadal ish 1996 yilda AQSh, Yaponiya, Belgiya, Italiya, Buyuk Britaniya va Germaniyadan ilmiy muassasalar va tadqiqot guruhlarini o'z ichiga olgan xalqaro konsorsium tomonidan boshlangan. 2000 yil dekabr oyida Arabidopsis genomining birlamchi tuzilishini aniqlash bo'yicha keng qamrovli ma'lumotlar mavjud bo'ldi. Tartiblash uchun biz klassik yoki ierarxik texnologiyadan foydalandik: birinchi navbatda, genomning alohida kichik bo'limlari o'rganildi, ulardan kattaroq bo'limlar (kontiglar) va yakuniy bosqichda alohida xromosomalarning tuzilishi o'rganildi. Arabidopsis genomining yadro DNKsi beshta xromosoma orasida taqsimlangan. 1999 yilda ikkita xromosomani ketma-ketlashtirish natijalari e'lon qilindi va qolgan uchtasining birlamchi tuzilishi haqidagi ma'lumotlarning nashr etilishi butun genomning ketma-ketligini yakunladi.

125 million juft nukleotiddan 119 millionning birlamchi tuzilishi aniqlangan, bu butun genomning 92% ni tashkil qiladi. DNK bo'limlarining katta bloklarini o'z ichiga olgan Arabidopsis genomining atigi 8 foizi o'rganish uchun imkonsiz bo'lib chiqdi. Eukaryotik genomlar ketma-ketligining to'liqligi va puxtaligi bo'yicha Arabidopsis bir hujayrali xamirturush organizmi bilan bir qatorda eng yaxshi uchta chempionda qolmoqda. Saccharomyces cerevisiae va ko'p hujayrali hayvon organizmi Caenorhabditis nafisligi(jadvalga qarang).

Arabidopsis genomida oqsillarni kodlovchi 15 mingga yaqin individual genlar topilgan. Ulardan taxminan 12 mingtasi haploid (yagona) genomda ikkita nusxada bo'ladi, shuning uchun genlarning umumiy soni 27 mingtani tashkil qiladi.Arabidopsisdagi genlar soni odam va sichqon kabi organizmlardagi genlar sonidan unchalik farq qilmaydi, lekin uning genomining kattaligi 25-30 marta kamroq. Bu holat Arabidopsisning individual genlari va uning genomining umumiy tuzilishidagi muhim xususiyatlar bilan bog'liq.

Arabidopsis genlari ixcham bo'lib, faqat bir nechta eksonlarni (oqsilni kodlovchi hududlarni) o'z ichiga oladi, ular qisqa (taxminan 250 bp) kodlanmaydigan DNK cho'zilishlari (intronlar) bilan ajratilgan. Shaxsiy genlar orasidagi bo'shliqlar o'rtacha 4,6 ming juft nukleotidni tashkil qiladi. Taqqoslash uchun shuni ta'kidlaymizki, inson genlarida ko'p o'nlab va hatto yuzlab ekzonlar va intronlar mavjud va intergenik hududlar 10 ming yoki undan ko'p nukleotid juftliklariga ega. Kichik ixcham genomning mavjudligi Arabidopsisning evolyutsion barqarorligiga hissa qo'shgan deb ishoniladi, chunki uning DNKsi turli xil zarar etkazuvchi agentlar uchun, xususan, virusga o'xshash takrorlanuvchi DNK parchalarini (transpozonlar) hujayra ichiga kiritish uchun kamroq nishonga aylangan. genom.

Arabidopsis genomining boshqa molekulyar xususiyatlariga eksonlarning guanin va sitozin (eksonlarda 44% va intronlarda 32%) bilan boyitilishi, shuningdek, ikki marta takrorlangan (duplikatsiya qilingan) genlarning mavjudligi kiradi. Taxminlarga ko'ra, bu ikki barobar ko'p bir vaqtning o'zida to'rtta hodisa natijasida sodir bo'lgan, bu Arabidopsis genlarining bir qismining ikkilanishi (takrorlanishi) yoki tegishli genomlarning birlashishi. 100-200 million yil oldin sodir bo'lgan bu hodisalar o'simlik genomlariga xos bo'lgan poliploidizatsiyaga (organizmdagi genomlar sonining ko'p marta ko'payishi) umumiy tendentsiyaning ko'rinishidir. Biroq, ba'zi faktlar shuni ko'rsatadiki, Arabidopsisda takrorlangan genlar bir xil emas va boshqacha ishlaydi, bu ularning tartibga soluvchi hududlaridagi mutatsiyalar bilan bog'liq bo'lishi mumkin.

To'liq DNK ketma-ketligining yana bir ob'ekti guruch edi. Bu o'simlikning genomi ham kichik (12 xromosoma, jami 420-470 million bp beradi), Arabidopsisnikidan atigi 3,5 baravar katta. Biroq, Arabidopsisdan farqli o'laroq, guruch juda katta iqtisodiy ahamiyatga ega bo'lib, insoniyatning yarmidan ko'pi uchun oziq-ovqatning asosi hisoblanadi, shuning uchun nafaqat milliardlab iste'molchilar uning xususiyatlarini yaxshilashdan hayotiy manfaatdor, balki ko'p millionli odamlar armiyasi ham faol ishtirok etadilar. uni etishtirishning juda mehnat talab qiladigan jarayoni.

Ba'zi tadqiqotchilar guruch genomini o'tgan asrning 80-yillarida o'rganishni boshladilar, ammo bu ish jiddiy miqyosga faqat 90-yillarda erishdi. 1991 yilda Yaponiyada ko'plab tadqiqot guruhlari sa'y-harakatlarini birlashtirgan guruch genomining tuzilishini ochish dasturi yaratildi. 1997 yilda ushbu dastur asosida Xalqaro guruch genomi loyihasi tashkil etildi. Uning ishtirokchilari guruch kenja turlaridan birini ketma-ketlashtirishga o'z kuchlarini jamlashga qaror qilishdi ( Oriza satijaponika), o'sha vaqtga qadar o'rganishda sezilarli yutuqlarga erishilgan. Inson genomi dasturi bunday ish uchun jiddiy rag'bat va majoziy ma'noda, yo'l ko'rsatuvchi yulduzga aylandi.

Ushbu dastur doirasida xalqaro konsorsium ishtirokchilari guruch genomini dekodlash uchun foydalangan genomning “xromosomali” ierarxik boʻlinishi strategiyasi sinovdan oʻtkazildi. Ammo, agar inson genomini o'rganishda turli xil texnikalar yordamida alohida xromosomalarning fraktsiyalari ajratilgan bo'lsa, u holda guruchning alohida xromosomalari va ularning alohida bo'limlari uchun xos bo'lgan material lazer mikrodiseksiyasi (mikroskopik ob'ektlarni kesish) orqali olingan. Guruch xromosomalari joylashgan mikroskop plyonkasida lazer nurlari ta'sirida xromosoma yoki uning tahlil uchun mo'ljallangan bo'limlaridan tashqari hamma narsa yonib ketadi. Qolgan material klonlash va sekvensiyalash uchun ishlatiladi.

Ierarxik texnologiyaga xos bo'lgan yuqori aniqlik va tafsilot bilan amalga oshirilgan guruch genomining alohida bo'laklarini sekvensiyalash natijalari bo'yicha ko'plab hisobotlar nashr etilgan. Guruch genomining to'liq birlamchi tuzilishini aniqlash 2003 yil oxiri - 2004 yil o'rtalarida yakunlanadi va natijalar Arabidopsis genomining birlamchi tuzilishi haqidagi ma'lumotlar bilan birgalikda qiyosiy genomikada keng qo'llaniladi, deb ishonilgan. boshqa o'simliklar.

Biroq, 2002 yil boshida ikkita tadqiqot guruhi - biri Xitoydan, ikkinchisi Shveytsariya va Qo'shma Shtatlardan - umumiy klonlash texnologiyasidan foydalangan holda amalga oshirilgan guruch genomini to'liq qo'pol (qo'pol) sekvensiyalash natijalarini e'lon qildi. Bosqichma-bosqich (ierarxik) tadqiqotdan farqli o'laroq, umumiy yondashuv virusli yoki bakterial vektorlardan birida butun genomik DNKni bir vaqtning o'zida klonlash va sezilarli (o'rta va katta genomlar uchun juda katta) sonni olishga asoslangan. turli DNK segmentlarini o'z ichiga olgan individual klonlar. Ushbu ketma-ket bo'limlarni tahlil qilish va DNKning bir xil so'nggi bo'limlarini bir-biriga moslashtirish asosida kontig - birlashtirilgan DNK ketma-ketliklari zanjiri hosil bo'ladi. Umumiy (jami) kontig butun genomning yoki, hech bo'lmaganda, individual xromosomaning birlamchi tuzilishini ifodalaydi.

Bunday sxematik taqdimotda umumiy klonlash strategiyasi murakkab bo'lmagan ko'rinadi. Darhaqiqat, u juda ko'p sonli klonlarni olish zarurati bilan bog'liq jiddiy qiyinchiliklarga duch keladi (genom yoki uning o'rganilayotgan hududi klonlar bilan kamida 10 marta qoplanishi kerakligi odatda qabul qilinadi), ulkan hajmdagi ketma-ketlik va juda katta bioinformatika mutaxassislarining ishtirokini talab qiladigan klonlarni birlashtirishning murakkab ishi. To'liq klonlash uchun jiddiy to'siq bu takrorlanadigan DNK mintaqalarining xilma-xilligi bo'lib, ularning soni, yuqorida aytib o'tilganidek, genom hajmi oshgani sayin keskin ortadi. Shu sababli, umumiy ketma-ketlik strategiyasi birinchi navbatda viruslar va mikroorganizmlar genomlarini o'rganishda qo'llaniladi, garchi u ko'p hujayrali organizm Drosophila genomini o'rganish uchun muvaffaqiyatli qo'llanilgan bo'lsa ham.

Ushbu genomning umumiy ketma-ketligi natijalari Drosophilani o'rganishning deyarli 100 yillik davrida olingan uning xromosomalari, genlari va molekulyar tuzilishi haqidagi juda ko'p ma'lumotlarga "ustiga qo'yilgan". Va shunga qaramay, ketma-ketlik darajasi bo'yicha Drosophila genomi (jami genom hajmining 66%) Arabidopsis genomidan sezilarli darajada past (92%), ularning o'lchamlari juda o'xshash - mos ravishda 180 million va 125 million nukleotid juftligiga qaramay. . Shuning uchun yaqinda Drosophila genomini ketma-ketlashtirish uchun foydalaniladigan texnologiyani aralash deb atash taklif qilindi.

Guruch genomini ketma-ketlashtirish uchun yuqorida aytib o'tilgan tadqiqot guruhlari Osiyo mamlakatlarida eng ko'p o'stiriladigan ikkita kichik turini oldilar - Oriza tupurik L. ssp indicaj Va Oriza tupurik L. sspjaponica. Ularning tadqiqotlari natijalari ko'p jihatdan bir-biriga mos keladi, lekin ko'p jihatdan farq qiladi. Shunday qilib, ikkala guruh vakillari genomning taxminan 92-93 foizini bir-biriga mos kelishiga erishganliklarini aytishdi. Guruch genomining taxminan 42% 20 juft nukleotiddan iborat qisqa DNK takrorlanishi bilan ifodalanganligi va mobil DNK elementlarining (transpozonlarning) ko'pchiligi intergenik mintaqalarda joylashganligi ko'rsatilgan. Biroq, guruch genomining kattaligi haqidagi ma'lumotlar sezilarli darajada farq qiladi.

Yapon kenja turi uchun genom hajmi 466 million juft nukleotid, hind kenja turi uchun esa 420 million boʻlishi aniqlangan.Bu nomuvofiqlikning sababi aniq emas. Bu genomlarning kodlanmagan qismining o'lchamini aniqlashga turli uslubiy yondashuvlarning natijasi bo'lishi mumkin, ya'ni ishlarning haqiqiy holatini aks ettirmasligi mumkin. Ammo o'rganilayotgan genomlar hajmida 15% farq haqiqatan ham mavjud bo'lishi mumkin.

Ikkinchi jiddiy tafovut aniqlangan genlar sonida aniqlandi: yapon kenja turi uchun - har bir genomda 46 022 dan 55 615 tagacha, hind kenja turi uchun esa 32 000 dan 50 000 gacha. Bu nomuvofiqlikning sababi aniq emas.

Olingan ma'lumotlarning to'liq va nomuvofiqligi e'lon qilingan maqolalarga izohlarda qayd etilgan. Shuningdek, guruch genomi haqidagi bilimlardagi bo'shliqlar "qo'pol ketma-ketlik" ma'lumotlarini Xalqaro guruch genomi loyihasi ishtirokchilari tomonidan amalga oshirilgan batafsil, ierarxik ketma-ketlik natijalari bilan solishtirish orqali bartaraf etilishiga umid qilinmoqda.

O‘SIMLARNING Qiyosiy VA FUNKSIONAL GENOMIKASI

Olingan keng qamrovli ma'lumotlar, ularning yarmi (Xitoy guruhining natijalari) jamoatchilikka ochiq bo'lib, shubhasiz, guruch genomini o'rganish uchun ham, umuman o'simlik genomikasi uchun ham keng istiqbollarni ochadi. Arabidopsis va guruch genomlarining xususiyatlarini taqqoslash shuni ko'rsatdiki, Arabidopsis genomida aniqlangan genlarning aksariyati (80% gacha) guruch genomida ham topilgan, ammo guruchda topilgan genlarning taxminan yarmi uchun analoglar ( ortologlar) hali Arabidopsis genomida topilmagan. Shu bilan birga, guruch genomida birlamchi tuzilishi boshqa don ekinlari uchun o'rnatilgan genlarning 98 foizi aniqlangan.

Guruch va Arabidopsisdagi genlar sonidagi sezilarli (deyarli ikki baravar) tafovut hayratlanarli. Shu bilan birga, umumiy ketma-ketlik yordamida olingan guruch genomining taxminiy transkripsiyasidan olingan ma'lumotlar ierarxik klonlash va sekvensiyalash usuli yordamida guruch genomini o'rganishning keng ko'lamli natijalari bilan deyarli taqqoslanmaydi, ya'ni nima qilingan. Drosophila genomiga erishilmagan. Shu sababli, Arabidopsis va guruchdagi genlar sonidagi farq ishlarning haqiqiy holatini aks ettiradimi yoki uslubiy yondashuvlardagi farqlar bilan izohlanadimi, noaniq qolmoqda.

Arabidopsis genomidan farqli o'laroq, guruch genomidagi egizak genlar haqida ma'lumot berilmagan. Ularning nisbiy ko'pligi guruchda Arabidopsisga qaraganda ko'proq bo'lishi mumkin. Bu imkoniyat bilvosita guruchning poliploid shakllari mavjudligi haqidagi ma'lumotlar bilan qo'llab-quvvatlanadi. Xalqaro guruch genomi loyihasi tugallangandan va ushbu genomning birlamchi DNK tuzilishi haqida batafsil ma'lumot olingandan keyin bu masala bo'yicha aniqroq bo'lishini kutish mumkin. Guruch genomining qo'pol ketma-ketligi bo'yicha ishlar nashr etilgandan so'ng, ushbu genomning tuzilishiga oid nashrlar soni keskin ko'payganligi, xususan, uning xromosomalarining batafsil ketma-ketligi to'g'risida ma'lumotlar paydo bo'lganligi bunday umid uchun jiddiy asoslardir. 1 va 4.

O'simliklardagi genlar sonini hech bo'lmaganda taxminan bilish, solishtirma o'simliklar genomikasi uchun muhim ahamiyatga ega. Dastlab, barcha gulli o'simliklar fenotipik xususiyatlariga ko'ra bir-biriga juda yaqin bo'lganligi sababli, ularning genomlari ham yaqin bo'lishi kerak deb hisoblangan. Va agar biz Arabidopsis genomini o'rgansak, boshqa o'simliklarning aksariyat genomlari haqida ma'lumotga ega bo'lamiz. Ushbu taxminning bilvosita tasdig'i sichqoncha genomini ketma-ketlashtirish natijalari bilan ta'minlanadi, bu odam genomiga hayratlanarli darajada yaqin (taxminan 30 ming gen, shundan atigi 1 mingtasi boshqacha bo'lib chiqdi).

Taxmin qilish mumkinki, Arabidopsis va sholi genomlaridagi farqlarning sababi ularning o'simliklarning turli sinflariga - ikki pallali va bir pallalilarga mansubligidadir. Bu masalaga oydinlik kiritish uchun, hech bo'lmaganda, boshqa monokot o'simliklarining qo'pol birlamchi tuzilishini bilish juda ma'qul. Eng real nomzod makkajo'xori bo'lishi mumkin, uning genomi taxminan inson genomiga teng, ammo baribir boshqa don ekinlari genomlaridan sezilarli darajada kichikroq. Makkajo'xorining oziq-ovqat qiymati yaxshi ma'lum.

Arabidopsis va guruch genomlarini ketma-ketlashtirish natijasida olingan ulkan material asta-sekin qiyosiy genomik usullardan foydalangan holda o'simlik genomlarini keng ko'lamli o'rganish uchun asos bo'lib bormoqda. Bunday tadqiqotlar umumiy biologik ahamiyatga ega, chunki ular butun o'simlik genomini va ularning individual xromosomalarini tashkil etishning asosiy tamoyillarini aniqlashga, genlar va ularning tartibga soluvchi mintaqalarining tuzilishining umumiy xususiyatlarini aniqlashga imkon beradi. xromosomaning funktsional faol (gen) qismi va turli xil protein kodlamaydigan intergenik DNK hududlari o'rtasidagi munosabat. Qiyosiy genetika inson funksional genomikasini rivojlantirish uchun ham tobora muhim ahamiyat kasb etmoqda. Qiyosiy tadqiqotlar uchun puffer baliqlari va sichqonlarning genomlari ketma-ketlikda bo'lgan.

Tananing o'ziga xos funktsiyalarini belgilaydigan individual oqsillarni sintez qilish uchun mas'ul bo'lgan individual genlarni o'rganish ham muhim ahamiyatga ega. Inson genomi dasturining amaliy, birinchi navbatda, tibbiy ahamiyati alohida genlarni aniqlash, ajratish, ketma-ketlik va funktsiyalarni o'rnatishdadir. Bu holatni bir necha yil avval J.Uotson qayd etib, inson genomi dasturi barcha inson genlarining funksiyalari aniqlangandagina yakunlanishini ta’kidlagan edi.

Guruch. 4. Arabidopsis genlarining funksiyasi bo'yicha tasnifi

1 - o'sish, bo'linish va DNK sintezi uchun genlar; 2 - RNK sintezi genlari (transkripsiya); 3 - oqsil sintezi va modifikatsiyasi uchun genlar; 4 - rivojlanish, qarish va hujayra o'limi uchun genlar; 5 - hujayra almashinuvi va energiya almashinuvi genlari; 6 - hujayralararo o'zaro ta'sir va signal uzatish uchun genlar; 7 - boshqa hujayra jarayonlarini qo'llab-quvvatlovchi genlar; 8 - noma'lum funktsiyaga ega genlar

O'simlik genlarining funktsiyasi haqida gap ketganda, biz inson genlari haqida bilgan narsalarimizning o'ndan biridan kamini bilamiz. Hatto genomi inson genomiga qaraganda ancha o'rganilgan Arabidopsisda ham uning genlarining deyarli yarmining vazifasi noma'lumligicha qolmoqda (4-rasm). Shu bilan birga, o'simliklar, hayvonlarga xos bo'lgan genlarga qo'shimcha ravishda, faqat ularga xos bo'lgan (yoki hech bo'lmaganda asosan) katta miqdordagi genlarga ega. Biz hayvonlarda mavjud bo'lmagan suv tashish va hujayra devorlarining sintezida ishtirok etadigan genlar haqida, xloroplastlarning shakllanishi va ishlashini, fotosintezni, azotni biriktirishni va ko'plab aromatik mahsulotlar sintezini ta'minlaydigan genlar haqida gapiramiz. Ushbu ro'yxatni davom ettirish mumkin, ammo o'simlik funktsional genomikasi oldida vazifa qanchalik qiyin ekanligi allaqachon aniq.

To'liq genom ketma-ketligi ma'lum bir organizm genlarining umumiy soni to'g'risida haqiqatga yaqin ma'lumot beradi, ularning tuzilishi haqida ko'proq yoki kamroq batafsil va ishonchli ma'lumotlarni ma'lumotlar banklariga joylashtirish imkonini beradi va alohida genlarni ajratish va o'rganish ishlarini osonlashtiradi. Biroq, genom ketma-ketligi barcha genlarning funktsiyasini o'rnatishni anglatmaydi.

Funktsional genomikaning eng istiqbolli yondashuvlaridan biri mRNK transkripsiyasi (o'qish) sodir bo'ladigan ishchi genlarni aniqlashga asoslangan. Ushbu yondashuv, jumladan, zamonaviy mikroarray texnologiyasidan foydalanish, bir vaqtning o'zida o'n minglab ishlaydigan genlarni aniqlash imkonini beradi. So'nggi paytlarda ushbu yondashuvdan foydalanib, o'simliklar genomlarini o'rganish boshlandi. Arabidopsis uchun 26 mingga yaqin individual transkriptlarni olish mumkin edi, bu uning deyarli barcha genlarining funktsiyasini aniqlash imkoniyatini sezilarli darajada osonlashtiradi. Kartoshkada 20 000 mingga yaqin ishchi genlarni aniqlash mumkin edi, ular ham o'sish va ildiz hosil bo'lish jarayonlarini, ham kartoshka kasalligi jarayonlarini tushunish uchun muhimdir. Ushbu bilimlar eng muhim oziq-ovqat mahsulotlaridan birining patogenlarga chidamliligini oshirishi kutilmoqda.

Funktsional genomikaning mantiqiy rivojlanishi proteomikadir. Ushbu yangi fan sohasi proteomani o'rganadi, bu odatda ma'lum bir vaqtda hujayradagi oqsillarning to'liq to'plamiga ishora qiladi. Genomning funktsional holatini aks ettiruvchi oqsillarning bu to'plami doimo o'zgarib turadi, genom esa o'zgarishsiz qoladi.

Oqsillarni o'rganish uzoq vaqtdan beri o'simlik genomlari faoliyati to'g'risida qaror qabul qilish uchun ishlatilgan. Ma'lumki, barcha o'simliklarda joylashgan fermentlar alohida tur va navlarda aminokislotalarning ketma-ketligi bilan farqlanadi. Bir xil funktsiyali, lekin alohida aminokislotalarning ketma-ketligi har xil bo'lgan bunday fermentlar izofermentlar deb ataladi. Ular turli xil fizik-kimyoviy va immunologik xususiyatlarga ega (molekulyar og'irlik, zaryad), ularni xromatografiya yoki elektroforez yordamida aniqlash mumkin. Ko'p yillar davomida bu usullar genetik polimorfizm deb ataladigan, ya'ni organizmlar, navlar, populyatsiyalar, turlar, xususan, bug'doy va donli ekinlar o'rtasidagi farqlarni o'rganishda muvaffaqiyatli qo'llanilmoqda. Biroq, so'nggi paytlarda DNKni tahlil qilish usullari, jumladan, sekvensiyaning jadal rivojlanishi tufayli oqsil polimorfizmini o'rganish DNK polimorfizmini o'rganish bilan almashtirildi. Shu bilan birga, boshoqli ekinlarning asosiy oziqaviy xususiyatlarini belgilovchi saqlash oqsillari (prolaminlar, gliadinlar va boshqalar) spektrlarini bevosita o‘rganish qishloq xo‘jalik o‘simliklarini genetik tahlil qilish, seleksiya va urug‘chilikda muhim va ishonchli usul bo‘lib qolmoqda.

Genlar, ularni ifodalash va tartibga solish mexanizmlarini bilish biotexnologiyani rivojlantirish va transgen o'simliklarni ishlab chiqarish uchun juda muhimdir. Ma'lumki, ushbu sohadagi ta'sirchan muvaffaqiyatlar atrof-muhit va tibbiyot hamjamiyatlarining turli xil reaktsiyalarini keltirib chiqaradi. Biroq, o'simlik biotexnologiyasining bir sohasi mavjudki, bu qo'rquvlar, agar mutlaqo asossiz bo'lmasa, har qanday holatda ham ahamiyatsiz bo'lib tuyuladi. Biz oziq-ovqat mahsuloti sifatida ishlatilmaydigan transgen sanoat korxonalarini yaratish haqida ketyapmiz. Hindiston yaqinda bir qator kasalliklarga chidamli transgen paxtaning birinchi hosilini yig‘ib oldi. Paxta genomiga pigment oqsillarini kodlovchi maxsus genlarni kiritish va sun’iy bo‘yashni talab qilmaydigan paxta tolalarini ishlab chiqarish haqida ma’lumotlar bor. Samarali genetik muhandislikka duchor bo'lishi mumkin bo'lgan boshqa sanoat ekinlari zig'irdir. Toʻqimachilik xomashyosi sifatida paxtaga muqobil sifatida foydalanish yaqinda muhokama qilindi. O‘zining paxta xomashyosi manbalaridan mahrum bo‘lgan mamlakatimiz uchun bu muammo nihoyatda dolzarbdir.

O'simliklar genomlarini o'rganish istiqbollari

Shubhasiz, o'simlik genomlarini strukturaviy tadqiq qilish qiyosiy genomikaning yondashuvlari va usullariga asoslanadi, asosiy material sifatida Arabidopsis va guruch genomlarini dekodlash natijalaridan foydalanadi. Qiyosiy o'simliklar genomikasining rivojlanishida, shubhasiz, ertami-kechmi boshqa o'simliklar genomlarining umumiy (qo'pol) ketma-ketligi ta'minlanishi haqidagi ma'lumotlar muhim rol o'ynaydi. Bunday holda, qiyosiy o'simlik genomikasi turli genomlarga tegishli bo'lgan individual lokuslar va xromosomalar o'rtasidagi genetik aloqalarni o'rnatishga asoslanadi. Biz o'simliklarning umumiy genomikasi haqida emas, balki alohida xromosomalarning selektiv genomikasi haqida gapiramiz. Shunday qilib, yaqinda ma'lum bo'ldiki, vernalizatsiya uchun mas'ul bo'lgan gen geksaploid bug'doyning 5A xromosomasining VRn-AI lokusuda va guruchning 3-xromosomasining Hd-6 lokusuda joylashgan.

Ushbu tadqiqotlarning rivojlanishi ko'plab funktsional muhim o'simlik genlarini, xususan, kasalliklarga chidamlilik, qurg'oqchilikka chidamlilik va turli xil o'sish sharoitlariga moslashish uchun mas'ul bo'lgan genlarni aniqlash, izolyatsiya qilish va ketma-ketlik uchun kuchli turtki bo'ladi. O'simliklarda ishlaydigan genlarni ommaviy identifikatsiyalash (skrining)ga asoslangan funktsional genomika tobora ko'proq foydalaniladi.

Biz xromosoma texnologiyalarini, birinchi navbatda, mikrodiseksiya usulini yanada yaxshilashni taxmin qilishimiz mumkin. Uning ishlatilishi genomlarni umumiy ketma-ketlashtirish kabi katta xarajatlarni talab qilmasdan genomik tadqiqotlar imkoniyatlarini keskin kengaytiradi. Gibridizatsiya yordamida o'simlik xromosomalarida individual genlarni lokalizatsiya qilish usuli keng tarqaladi. joyida. Hozirgi vaqtda uni qo'llash o'simlik genomidagi juda ko'p takrorlanuvchi ketma-ketliklar va, ehtimol, o'simlik xromosomalarining strukturaviy tashkil etilishining o'ziga xos xususiyatlari bilan cheklangan.

Yaqin kelajakda xromosoma texnologiyalari o'simliklarning evolyutsion genomikasi uchun ham katta ahamiyatga ega bo'ladi. Nisbatan arzon bo'lgan bu texnologiyalar tetraploid va geksaploid bug'doy va tritikalening tur ichidagi va turlararo o'zgaruvchanligini tezkor baholash va murakkab allopoliploid genomlarini o'rganish imkonini beradi; xromosoma darajasida evolyutsiya jarayonlarini tahlil qilish; sintetik genomlarning shakllanishini va begona genetik materialning kiritilishini (introgressiyasini) o'rganish; har xil turdagi individual xromosomalar orasidagi genetik aloqalarni aniqlash.

Genomni tavsiflash uchun molekulyar biologik tahlil va kompyuter texnologiyalari bilan boyitilgan klassik sitogenetik usullar yordamida o‘simlik karyotipini o‘rganishdan foydalaniladi. Bu karyotipning barqarorligi va o'zgaruvchanligini nafaqat alohida organizmlar, balki populyatsiyalar, navlar va turlar darajasida o'rganish uchun ayniqsa muhimdir. Va nihoyat, differensial bo'yash usullaridan foydalanmasdan xromosomalarning qayta tuzilishi (aberratsiyalar, ko'priklar) soni va spektrlarini qanday baholash mumkinligini tasavvur qilish qiyin. Bunday tadqiqotlar o'simlik genomining holati asosida atrof-muhitni kuzatish uchun juda istiqbolli.

Zamonaviy Rossiyada o'simlik genomlarining to'g'ridan-to'g'ri ketma-ketligi amalga oshirilishi dargumon. Katta sarmoyalarni talab qiladigan bunday ishlar bugungi iqtisodiyotimiz uchun barqaror emas. Shu bilan birga, jahon ilm-fani tomonidan olingan va xalqaro ma'lumotlar banklarida mavjud bo'lgan Arabidopsis va sholi genomlarining tuzilishi haqidagi ma'lumotlar mahalliy o'simlik genomikasini rivojlantirish uchun etarli. Seleksiya va o‘simlikchilikning aniq muammolarini hal qilish, shuningdek, xo‘jalik ahamiyatiga ega bo‘lgan har xil o‘simlik turlarining kelib chiqishini o‘rganish uchun qiyosiy genomik yondashuvlar asosida o‘simliklar genomlari bo‘yicha tadqiqotlarni kengaytirishni oldindan ko‘rish mumkin.

Taxmin qilish mumkinki, mahalliy selektsiya amaliyotida va o'simlikchilikda bizning byudjetimiz uchun ancha qulay bo'lgan genetik tiplash (RELF, RAPD, AFLP tahlillari va boshqalar) kabi genomik yondashuvlar keng qo'llaniladi. DNK polimorfizmini aniqlashning to'g'ridan-to'g'ri usullari bilan bir qatorda, genetika va o'simlikchilik muammolarini hal qilish uchun oqsil polimorfizmini, birinchi navbatda, donning saqlash oqsillarini o'rganishga asoslangan yondashuvlar qo'llaniladi. Xromosoma texnologiyalari keng qo'llaniladi. Ular nisbatan arzon va ularning rivojlanishi juda o'rtacha investitsiyalarni talab qiladi. Xromosoma tadqiqotlari sohasida mahalliy fan dunyodan qolishmaydi.

Ta’kidlash joizki, fanimiz o‘simliklar genomikasining shakllanishi va rivojlanishiga katta hissa qo‘shgan [,].

Asosiy rolni N.I. Vavilov (1887-1943).

Molekulyar biologiya va oʻsimliklar genomikasida A.N.ning kashshof hissasi yaqqol koʻrinadi. Belozerskiy (1905-1972).

Xromosoma tadqiqotlari sohasida taniqli genetik S.G.ning ishini ta'kidlash kerak. Navashin (1857-1930), birinchi marta o'simliklarda yo'ldosh xromosomalarni kashf etgan va alohida xromosomalarni morfologiyasining xususiyatlariga ko'ra farqlash mumkinligini isbotlagan.

Rus fanining yana bir klassikasi G.A. Levitskiy (1878-1942) javdar, bug’doy, arpa, no’xat va qand lavlagining xromosomalarini batafsil tavsiflab, fanga “karyotip” atamasini kiritdi va u haqidagi ta’limotni ishlab chiqdi.

Zamonaviy mutaxassislar jahon ilm-fani yutuqlariga tayanib, o‘simliklar genetikasi va genomikasini yanada rivojlantirishga katta hissa qo‘shishlari mumkin.

Muallif akademik Yu.P.ga chin yurakdan minnatdorchilik bildiradi. Altuxovga maqolaning tanqidiy muhokamasi va qimmatli maslahatlari uchun.

Maqola muallifi boshchiligidagi jamoaning ishi Rossiya fundamental tadqiqotlar jamg'armasi (grantlar № 99-04-48832; 00-04-49036; 00-04-81086), Prezident dasturi tomonidan qo'llab-quvvatlandi. ilmiy maktablarni qo'llab-quvvatlash uchun Rossiya Federatsiyasi (grantlar No 00-115 -97833 va NSh-1794.2003.4) va Rossiya Fanlar akademiyasining dasturi "Selektsiya va urug'likning zamonaviy usullarini ishlab chiqishda molekulyar genetik va xromosoma belgilari. ishlab chiqarish."

ADABIYOT

1. Zelenin A.V., Badaeva E.D., Muravenko O.V. O'simliklar genomikasiga kirish // Molekulyar biologiya. 2001. T. 35. 339-348-betlar.

2. Qalam E. O'simliklar genomikasi uchun Bonanza // Fan. 1998. V. 282. B. 652-654.

3. O'simliklar genomikasi // Proc. Natl. akad. Sci. AQSH. 1998. V. 95. P. 1962-2032 yillar.

4. Kartel N.A. va boshq. Genetika. Ensiklopedik lug'at. Minsk: Texnologiya, 1999 yil.

5. Badaeva E.D., Friebe B., Gill B.S. 1996. Aegiloplarda genomning farqlanishi. 1. Diploid turlarning xromosomalarida juda takrorlanadigan DNK ketma-ketligini taqsimlash // Genom. 1996. V. 39. B. 293-306.

Xromosoma tahlilining tarixi // Biol. membranalar. 2001. T. 18. 164-172-betlar.

"BINOM." nashriyot uyi. Bilim laboratoriyasi genetik Kreyg Venterning “Life deşifrlangan” xotiralar kitobini chiqarmoqda. Kreyg Venter inson genomini o'qish va shifrlash bo'yicha ishi bilan mashhur. 1992 yilda u Genom tadqiqotlari institutiga (TIGR) asos solgan. 2010 yilda Venter dunyodagi birinchi sun'iy organizm - Mycoplasma laboratorium sintetik bakteriyasini yaratdi. Sizni kitobning boblaridan birini o'qishni taklif qilamiz, unda Kreyg Venter 1999–2000 yillardagi Drozofila pashshasining genomini ketma-ketlashtirish bo'yicha ishi haqida gapiradi.

Oldinga va faqat oldinga

Bizni hayratda qoldirgan holda, irsiyatning asosiy jihatlari juda oddiy bo'lib chiqdi va shuning uchun tabiat u qadar noma'lum emasligiga umid bor edi va uning tushunarsizligi turli odamlar tomonidan qayta-qayta e'lon qilingan navbatdagi illyuziya, bizning nodonligimiz samarasidir. . Bu bizni optimistik qiladi, chunki agar dunyo ba'zi do'stlarimiz ta'kidlaganidek murakkab bo'lganida, biologiyaning aniq fanga aylanish imkoniyati bo'lmas edi.

Tomas Xant Morgan. Irsiyatning fizik asoslari

Ko‘pchilik mendan nega sayyoramizdagi barcha tirik mavjudotlar orasidan meva chivinini tanlaganimni so‘rashdi; boshqalar nima uchun men darhol inson genomini ochishga o'tmaganimga hayron bo'lishdi. Gap shundaki, bizga kelajakdagi tajribalar uchun asos kerak edi, biz inson genomini ketma-ketlashtirishga salkam 100 million dollar sarflashdan oldin usulimizning to‘g‘riligiga ishonch hosil qilishni xohladik.

Kichkina meva pashshasi biologiya, ayniqsa genetika rivojlanishida katta rol o'ynadi. Drosophila jinsiga turli xil chivinlar - sirka, sharob, olma, uzum va mevalar - jami 26 yuzga yaqin tur kiradi. Ammo "drosophila" so'zini ayting va har qanday olim darhol bitta o'ziga xos tur - Drosophilamelanogaster haqida o'ylaydi. Bu mitti pashsha tez va oson ko‘paygani uchun evolyutsion biologlar uchun namuna organizm bo‘lib xizmat qiladi. Ular undan yaratilish mo''jizasini yoritish uchun foydalanadilar - urug'lantirilgan paytdan boshlab kattalar organizmining paydo bo'lishigacha. Drosophila tufayli ko'plab kashfiyotlar, jumladan, barcha tirik organizmlarning umumiy tuzilishini tartibga soluvchi gomeobox o'z ichiga olgan genlar topildi.

Har bir genetika talabasi amerikalik genetika fanining otasi Tomas Xant Morgan tomonidan drozofila ustida olib borilgan tajribalar bilan tanish. 1910 yilda u odatdagi qizil ko'zli chivinlar orasida oq ko'zli erkak mutantlarni payqadi. U oq ko'zli erkakni qizil ko'zli urg'ochi bilan kesib o'tdi va ularning avlodlari qizil ko'zli ekanligini aniqladi: oq ko'zlilik retsessiv xususiyatga aylandi va biz endi bilamizki, chivinlarning ko'zlari oq bo'lishi uchun sizga ikkita nusxa kerak bo'ladi. oq ko'zli gen, har bir ota-onadan bitta. Morgan mutantlarni kesib o'tishni davom ettirib, faqat erkaklarda oq ko'z xususiyati borligini aniqladi va bu xususiyat jinsiy xromosoma (Y xromosoma) bilan bog'liq degan xulosaga keldi. Morgan va uning shogirdlari minglab mevali chivinlarning irsiy xususiyatlarini o'rganishdi. Bugungi kunda Drosophila bilan tajribalar butun dunyo bo'ylab molekulyar biologiya laboratoriyalarida olib boriladi, bu erda besh mingdan ortiq odam bu kichik hasharotni o'rganadi.

Men adrenalin retseptorlarini o'rganish uchun uning cDNK genlari kutubxonalaridan foydalanganimda va ularning pashshadagi ekvivalentini - oktopamin retseptorlarini topganimda Drosophilaning ahamiyatini bilib oldim. Bu kashfiyot chivin va odamning asab tizimining evolyutsion irsiyatining umumiyligini ko'rsatdi. Inson miyasining cDNK kutubxonalarini tushunishga harakat qilib, men inson genlarini Drosophila genlari bilan kompyuter taqqoslash orqali o'xshash funktsiyalarga ega genlarni topdim.

Drosophila genini sekvensiyalash loyihasi 1991 yilda, Berkli Kaliforniya universitetidan Jerri Rubin va Karnegi institutidan Allen Spradling vazifani bajarish vaqti keldi, deb qaror qilganlarida boshlangan. 1998 yil may oyiga kelib, ketma-ketlikning 25 foizi allaqachon bajarilgan edi va men Rubin "o'tish uchun juda yaxshi" degan taklif bilan chiqdim. Mening fikrim juda xavfli edi: turli mamlakatlardan minglab meva chivinlari tadqiqotchilari biz olgan kodning har bir harfini sinchkovlik bilan o'rganishlari, uni Jerrining o'zining yuqori sifatli, ma'lumotnomasi bilan taqqoslashlari va keyin mening usulimning mosligi to'g'risida xulosa chiqarishlari kerak edi. .

Dastlabki reja 1999 yil apreliga qadar pashsha genomini sekvensiyalashni olti oy ichida yakunlash va keyin inson genomiga hujumni boshlash edi. Menimcha, bu bizning yangi usulimiz ishlayotganini ko'rsatishning eng samarali va aniq usuli edi. Va agar biz muvaffaqiyatga erishmasak, men buni inson genomi ustida ishlashdan ko'ra, Drosophila misolidan foydalanib, tezda tekshirgan ma'qul deb o'yladim. Ammo haqiqatda, to'liq muvaffaqiyatsizlik biologiya tarixidagi eng ajoyib muvaffaqiyatsizlik bo'ladi. Jerri ham o'z obro'sini xavf ostiga qo'ygan edi, shuning uchun Celeradagi hamma uni qo'llab-quvvatlashga qaror qildi. Men Mark Adamsdan loyihaning bizning qismimizga rahbarlik qilishini so'radim va Jerri ham Berklida yuqori darajadagi jamoaga ega bo'lganligi sababli, bizning hamkorligimiz yaxshi rivojlandi.

Avvalo, biz ketma-ketlashtirishimiz kerak bo'lgan DNKning tozaligi haqida savol tug'ildi. Odamlar kabi, chivinlar genetik darajada farq qiladi. Agar populyatsiyada 2% dan ortiq genetik o'zgaruvchanlik mavjud bo'lsa va bizda tanlangan guruhda 50 xil shaxs bo'lsa, dekodlash juda qiyin bo'lib chiqadi. Jerrining birinchi qadami bizga yagona DNK variantini berish uchun chivinlarni iloji boricha ko'proq nasl berish edi. Ammo irsiy soflikni ta'minlash uchun qarindosh-urug'lar etarli emas edi: pashsha DNKsini ajratib olishda pashsha ozuqasi yoki ichaklaridagi bakterial hujayralardan genetik material bilan ifloslanish xavfi mavjud edi. Bu muammolardan qochish uchun Jerri chivin embrionlaridan DNK ajratib olishni afzal ko'rdi. Ammo hatto embrion hujayralardan ham, biz yadrolarni mitoxondriyaning yadrodan tashqari DNKsi - hujayraning "elektr stantsiyalari" bilan ifloslantirmaslik uchun birinchi navbatda kerakli DNK bilan ajratishimiz kerak edi. Natijada biz Drosophila DNKsining sof eritmasi bo'lgan probirka oldik.

1998 yilning yozida shunday sof pashsha DNKsiga ega bo'lgan Xem jamoasi uning parchalari kutubxonalarini yaratishni boshladi. Xemning o'zi ko'proq DNKni kesib, hosil bo'lgan bo'laklarni yopishni yaxshi ko'rardi, hech qanday begona tovushlar uni ishidan chalg'itmasligi uchun eshitish moslamasining sezgirligini pasaytirdi. Kutubxonalarning yaratilishi keng ko'lamli ketma-ketlikning boshlanishi bo'lishi kerak edi, ammo hozirgacha hamma joyda faqat matkap, bolg'a va arra tovushlari eshitildi. Butun quruvchilar armiyasi doimo yaqin atrofda ko'zni qamashtirardi va biz eng muhim muammolarni hal qilishni davom ettirdik - sekvenserlar, robotlar va boshqa jihozlarning ishlashidagi nosozliklarni bartaraf etish, yillar davomida emas, balki bir necha oy ichida haqiqiy ketma-ketlik zavodini yaratishga harakat qildik. " boshidan.

Birinchi Model 3700 DNK sekvenseri 1998 yil 8 dekabrda Celeraga katta hayajon va umumiy yengillik bilan yetkazildi. Qurilma yog'och qutidan olib tashlandi, yerto'ladagi derazasiz xonaga - uning vaqtinchalik uyiga joylashtirildi va darhol sinovga kirishdi. U ishlay boshlagandan so'ng, biz juda yuqori sifatli natijalarga erishdik. Ammo bu dastlabki sekvenserlar juda beqaror edi va ba'zilari boshidan noto'g'ri edi. Ishchilar bilan ham doimiy muammolar bor edi, ba'zan deyarli har kuni. Misol uchun, robot-manipulyatorni boshqarish dasturida jiddiy xatolik paydo bo'ldi - ba'zida robotning mexanik qo'li qurilma ustida yuqori tezlikda cho'zilib, devorga qulab tushdi. Natijada sekvenser to'xtab qoldi va uni tuzatish uchun ta'mirlash guruhini chaqirishga to'g'ri keldi. Ba'zi sekvenserlar adashgan lazer nurlari tufayli muvaffaqiyatsizlikka uchradi. Haddan tashqari issiqlikdan himoya qilish uchun folga va lenta ishlatilgan, chunki yuqori haroratlarda sariq rangli Gs bo'laklari ketma-ketlikdan bug'lanadi.

Qurilmalar hozir muntazam ravishda yetkazib berilsa-da, ularning 90% ga yaqini boshidanoq nosoz edi. Ba'zi kunlarda sekvenserlar umuman ishlamadi. Men Mayk Xunkapillerga qattiq ishonardim, lekin u bizning muvaffaqiyatsizliklarimizni xodimlarimizga, qurilish changiga, haroratning ozgina o'zgarishiga, oyning fazalariga va hokazolarga ayblay boshlaganida, mening ishonchim qattiq silkindi. Ba'zilarimiz hatto stressdan kul rangga aylandi.

O'lgan 3700 kishi kafeteryada ABIga qaytarilishini kutib o'tirishdi va oxir-oqibat biz sekvenserlar o'likxonasida tushlik qilishimiz kerak bo'ldi. Men umidsizlikka tushib qoldim - axir, menga har kuni ma'lum miqdordagi ishlaydigan qurilmalar kerak edi, ya'ni 230 ta! Taxminan 70 million dollar evaziga ABI bizga kun bo'yi uzluksiz ishlaydigan 230 ta mukammal ishlaydigan yoki kamida yarim kun ishlaydigan 460 ta qurilmani taqdim etishga va'da berdi. Bundan tashqari, Mayk sekvenserlarni nosozlikdan keyin darhol ta'mirlash uchun malakali texnik xodimlar sonini ikki barobarga oshirishi kerak edi.

Biroq, bularning barchasini bir xil pul uchun qilishdan nima manfaat bor! Bundan tashqari, endi Maykning yana bir mijozi bor - hukumatning genomik loyihasi, uning rahbarlari allaqachon hech qanday sinovsiz yuzlab qurilmalarni sotib olishni boshlagan. Celeraning kelajagi ushbu sekvenserlarga bog'liq edi, ammo Mayk ABI ning kelajagi ham ularga bog'liqligini tushunmaganga o'xshaydi. Mojaro muqarrar edi, bu ABI muhandislari va mening jamoam o'rtasidagi Celeradagi muhim uchrashuvda ayon bo'ldi.

Biz juda ko'p nuqsonli asboblar va sekvenser nosozliklarini tuzatish uchun qancha vaqt ketgani haqida xabar berganimizdan so'ng, Mayk yana barcha aybni mening xodimlarimga yuklashga urindi, lekin hatto uning muhandislari ham u bilan rozi bo'lishmadi. Toni Uayt nihoyat aralashdi. "Menga buning qancha turadi yoki buning uchun kimni o'ldirish kerakligi qiziq emas", dedi u. Keyin birinchi va oxirgi marta haqiqatan ham mening tarafimni oldi. U Maykga yangi sekvenserlarni imkon qadar tezroq yetkazib berishni, hatto boshqa mijozlar hisobiga va hatto qancha turishi hali noma'lum bo'lsa ham, ta'minlashni buyurdi.

Toni, shuningdek, Maykga tezda ta'mirlash va barcha muammolarning sababini aniqlash uchun yana yigirmata texnikni yollashni buyurdi. Aslida, buni aytish osonroq edi, chunki tajribali ishchilar etishmayapti. Boshlash uchun, Erik Lander ikkita eng malakali muhandisni brakonerlik qildi va Maykning fikriga ko'ra, biz ham aybdor edik. Mark Adamsga o'girilib, Mayk shunday dedi: "Siz ularni boshqalardan oldin yollashingiz kerak edi." Bunday gapimdan keyin men unga bo'lgan hurmatimni butunlay yo'qotdim. Axir, bizning kelishuvimizga ko'ra, men ABI xodimlarini yollay olmadim, Lander va hukumat genom loyihasining boshqa rahbarlari bunga haqli edilar, shuning uchun tez orada eng yaxshi ABI muhandislari raqobatchilarimiz uchun ishlay boshladilar. Uchrashuv oxiriga kelib, muammolar saqlanib qolganini angladim, ammo yaxshilanishga umid nuri paydo bo'ldi.

Va shunday bo'ldi, garchi darhol bo'lmasa ham. Bizning sekvenserlar arsenalimiz 230 dan 300 ta qurilmaga ko'paydi va agar ularning 20-25 foizi muvaffaqiyatsiz bo'lsa, bizda hali ham 200 ga yaqin ishlaydigan sekvenser bor edi va qandaydir tarzda vazifalarni hal qildik. Texnik xodimlar qahramonona mehnat qilib, ta'mirlash ishlari sur'atini barqaror oshirib, to'xtab qolish vaqtini qisqartirdilar. Shu vaqt davomida men bir narsa haqida o'yladim: biz qilayotgan ish qilish mumkin. Muvaffaqiyatsizliklar minglab sabablarga ko'ra sodir bo'ldi, ammo muvaffaqiyatsizliklar mening rejalarimning bir qismi emas edi.

Biz 8-aprelda, taxminan, bu ishni yakunlashimiz kerak bo‘lgan vaqtda Drosophila genomini sekvensiyalashni boshladik. Men, albatta, Uayt mendan qutulmoqchi ekanligini tushundim, lekin asosiy vazifani bajarish uchun qo'limdan kelgan barcha ishni qildim. Uyda taranglik va tashvish meni hayratda qoldirdi, lekin men bu muammolarni "ishonchim" bilan muhokama qila olmadim. Kler men Celeraning ishlari bilan ovora ekanligimni ko'rib, o'zini mensimasligini ko'rsatdi. U meni TIGR/HGSda ishlaganimda qilgan xatolarimni takrorlayotgandek his qildi. 1 iyulga kelib men xuddi Vetnamda bo'lgani kabi qattiq tushkunlikka tushdim.

Konveyer usuli biz uchun hali ishlamaganligi sababli, biz mashaqqatli va mashaqqatli ishlarni bajarishimiz kerak edi - genom bo'laklarini bir-biriga "yopishtirish". Takrorlashlar bilan chalg'imasdan gugurtlarni aniqlash uchun Gen Myers o'q otish usulining mening versiyamning asosiy printsipiga asoslangan algoritmni taklif qildi: natijada paydo bo'lgan barcha klonlarning ikkala uchini ketma-ket joylashtiring. Xem aniq ma'lum bo'lgan uchta o'lchamdagi klonlarni olganligi sababli, biz ikkita terminal ketma-ketligi bir-biridan qat'iy belgilangan masofada joylashganligini bilardik. Avvalgidek, bu "moslash" usuli bizga genomni qayta yig'ish uchun ajoyib imkoniyat beradi.

Ammo ketma-ketlikning har bir uchi alohida ketma-ketlikda bo'lganligi sababli, ushbu yig'ish usuli to'g'ri ishlashi uchun ehtiyotkor yozuvlarni saqlash kerak edi - biz barcha juftlik ketma-ketliklarini to'g'ri bog'lay olganimizga to'liq ishonch hosil qilish uchun: axir, agar hech bo'lmaganda yuzta urinishdan bittasi xatoga olib keladi va mos keluvchi bir juftlik topilmaydi, har bir narsa to'xtab qoladi va usul ishlamaydi. Bunga yo'l qo'ymaslikning bir usuli - jarayonning har bir bosqichini kuzatish uchun shtrix kodlar va sensorlardan foydalanish. Ammo ish boshida laboratoriya texniklarida ketma-ketlik uchun kerakli dasturiy ta'minot va jihozlar yo'q edi, shuning uchun ular hamma narsani qo'lda qilishlari kerak edi. Celerada yigirma kishidan kam bo'lgan kichik guruh har kuni rekord darajadagi 200 000 klonni qayta ishladi. Biz 384 quduqdan olingan ma'lumotlarni noto'g'ri o'qish kabi ba'zi xatolarni taxmin qilishimiz va keyin aniq xato operatsiyani topish va vaziyatni tuzatish uchun kompyuterdan foydalanishimiz mumkin. Albatta, hali ham kamchiliklar bor edi, ammo bu jamoaning mahoratini va xatolarni bartaraf eta olishimizga ishonchini tasdiqladi, xolos.

Barcha qiyinchiliklarga qaramay, biz to'rt oy ichida 3156 million ketma-ketlikni o'qiy oldik, jami 1,51 million DNK klonlari uchlari orasida joylashgan taxminan 1,76 milliard nukleotid juftligini. Endi navbat Gen Myers, uning jamoasi va bizning kompyuterimizga keldi - barcha bo'limlarni Drosophila xromosomalariga birlashtirish kerak edi. Bo'limlar qanchalik uzun bo'lsa, ketma-ketlik shunchalik aniq bo'lmaydi. Drosophila holatida ketma-ketliklar o'rtacha 551 ta asosiy juftlikni tashkil etdi va o'rtacha aniqlik 99,5% ni tashkil etdi. 500 harfli ketma-ketlikni hisobga olsak, deyarli har bir kishi gugurt topilmaguncha bir ketma-ketlikni boshqasi bo'ylab siljitish orqali gugurtlarni topishi mumkin.

Haemophilus influenzae ketma-ketligi uchun bizda 26 ming ketma-ketlik bor edi. Ularning har birini boshqalar bilan solishtirish uchun 26 ming kvadrat yoki 676 million taqqoslash kerak bo'ladi. Drosophila genomi, uning 3,156 million o'qish bilan, taxminan 9,9 trillion taqqoslashni talab qiladi. Biz 26 million ketma-ket o'qishni yaratgan odam va sichqoncha misolida, taxminan 680 trillion taqqoslash kerak edi. Shuning uchun ko'pchilik olimlar bu usulning mumkin bo'lgan muvaffaqiyatiga juda shubha bilan qarashlari ajablanarli emas.

Myers hamma narsani tuzatishga va'da bergan bo'lsa-da, u doimo shubhalarga ega edi. Endi u kechayu kunduz ishladi, charchagan va qandaydir kulrang ko'rinardi. Qolaversa, uning oilasida muammolar bor edi va u bo‘sh vaqtining ko‘p qismini loyihamiz haqida yozgan va xuddi soyadek, tadqiqotning borishini kuzatgan jurnalist Jeyms Shrev bilan o‘tkaza boshladi. Jinni qandaydir chalg'itmoqchi bo'lib, men uni o'zim bilan Karib dengiziga olib borib, dam olish va yaxtamda suzib ketdim. Lekin u yerda ham soatlab o‘tirdi, noutbukini egib, qora qoshlarini chimirib, qora ko‘zlarini yorqin quyoshdan pirpiratdi. Va aql bovar qilmaydigan qiyinchiliklarga qaramay, Gen va uning jamoasi olti oy ichida yangi assembler uchun yarim million qatordan ortiq kompyuter kodini yaratishga muvaffaq bo'ldi.

Agar ketma-ketlik natijalari 100% aniq bo'lsa, takroriy DNK bo'lmasa, genom yig'ish nisbatan oddiy vazifa bo'lar edi. Ammo, aslida, genomlar turli tipdagi, uzunlikdagi va chastotali ko'p sonli takroriy DNKni o'z ichiga oladi. Besh yuzdan kam tayanch juftlikdan iborat qisqa takrorlashlar bilan ishlash nisbatan oson, uzoqroq takrorlashlar esa qiyinroq. Ushbu muammoni hal qilish uchun biz "juftlik topish" usulidan foydalandik, ya'ni har bir klonning ikkala uchini ketma-ketlashtirdik va maksimal mos kelishini ta'minlash uchun turli uzunlikdagi klonlarni oldik.

Jin jamoasining yarim million qatorli kompyuter kodida kodlangan algoritmlar bosqichma-bosqich stsenariyni taklif qildi - eng "zararsiz" harakatlardan, masalan, ikkita ketma-ketlikni oddiygina bir-biriga moslashtirishdan tortib, aniqlangan juftliklardan foydalanish kabi murakkabroq harakatlargacha. bir-biriga o'xshash ketma-ketliklar orollarini birlashtiring. Bu jumboqni birlashtirishga o'xshardi, unda yig'ilgan qismlarning kichik orollari kattaroq orollarni hosil qilish uchun birlashtiriladi va keyin butun jarayon yana takrorlanadi. Faqat bizning jumboqda 27 million dona bor edi. Va bo'limlar yuqori sifatli yig'ish ketma-ketligidan olinganligi juda muhim edi: agar siz jumboq yig'sangiz nima bo'lishini tasavvur qiling va uning elementlarining ranglari yoki tasvirlari loyqa va loyqa bo'ladi. Genom ketma-ketligining uzoq masofali tartibi uchun o'qishning muhim qismi mos keladigan juftliklar shaklida bo'lishi kerak. Natijalar hali ham qo'lda kuzatilayotganini hisobga olsak, bizda mavjud bo'lgan ketma-ketliklarning 70 foizi aynan shunday ekanligini bilib, biz xotirjam bo'ldik. Kompyuter modelerlari pastroq foiz bilan bizning "Humpty Dumpty" ni yig'ish mumkin emasligini tushuntirishdi.

Va endi biz ketma-ketlikni ketma-ketlikda joylashtirish uchun Celera assembleridan foydalanishga muvaffaq bo'ldik: birinchi bosqichda natijalar eng yuqori aniqlikka erishish uchun moslashtirildi; ikkinchi bosqichda Screener dasturi plazmid yoki E. coli DNKsidan ifloslantiruvchi ketma-ketliklarni olib tashladi. Yig'ish jarayoni "begona" ketma-ketlikning 10 ta asosiy juftligi bilan buzilishi mumkin. Uchinchi bosqichda Screener dasturi har bir parchani meva chivinlari genomidagi ma'lum takrorlanuvchi ketma-ketliklarga muvofiqligini tekshirdi - ularni bizga "mehribonlik bilan" taqdim etgan Jerri Rubin ma'lumotlari. Qisman bir-biriga yopishgan hududlar bilan takrorlanish joylari qayd etilgan. To'rtinchi bosqichda boshqa dastur (Overlapper) har bir fragmentni boshqalar bilan taqqoslash orqali bir-birining ustiga tushadigan maydonlarni topdi - bu juda katta miqdordagi raqamli ma'lumotlarni qayta ishlash bo'yicha ulkan tajriba. Biz har soniyada 32 million fragmentni solishtirib, 6% dan kam farqlarga ega kamida 40 ta bir-biriga o'xshash tayanch juftliklarni topishni maqsad qildik. Biz bir-birining ustiga chiqqan ikkita mintaqani aniqlaganimizda, biz ularni kattaroq bo'lakka, ya'ni "contig" deb ataladigan qismga birlashtirdik - bir-birining ustiga chiqadigan qismlar to'plami.

Ideal holda, bu genomni yig'ish uchun etarli bo'ladi. Ammo biz DNK kodidagi duduqlar va takrorlanishlar bilan kurashishimiz kerak edi, bu DNKning bir bo'lagi bir nechta turli hududlar bilan bir-biriga yopishib, soxta ulanishlarni yaratishi mumkinligini anglatardi. Vazifani soddalashtirish uchun biz faqat "unitigs" deb ataladigan noyob bog'langan qismlarni qoldirdik. Biz ushbu operatsiyani bajarish uchun foydalangan dastur (Unitigger) biz aniqlab bera olmaydigan barcha DNK ketma-ketligini olib tashladi va faqat shu birliklarni qoldirdi. Ushbu qadam bizga nafaqat fragmentlarni yig'ishning boshqa variantlarini ko'rib chiqish imkoniyatini berdi, balki vazifani sezilarli darajada soddalashtirdi. Qisqartirilgandan so'ng, bir-biriga o'xshash bo'laklar soni 212 milliondan 3,1 milliongacha qisqartirildi va muammo 68 marta soddalashtirildi. Boshqotirma qismlari asta-sekin, lekin barqaror ravishda o'z joylariga tushdi.

Va keyin biz "skelet" algoritmi yordamida bir xil klonning ketma-ketliklari qanday bog'langanligi haqidagi ma'lumotlardan foydalanishimiz mumkin edi. O'zaro bir-biriga mos keladigan tayanch juftliklari bo'lgan barcha mumkin bo'lgan birliklar maxsus ramkalarga birlashtirildi. Ma'ruzalarimda ushbu bosqichni tasvirlash uchun men Tinkertoys bolalar o'yinchoqlarini qurish to'plamiga o'xshashlikni chizaman. U turli uzunlikdagi tayoqlardan iborat bo'lib, ular yog'och kalit qismlarida (to'plar va disklar) joylashgan teshiklarga kiritilishi mumkin va shu bilan uch o'lchovli tuzilmani yaratadi. Bizning holatlarimizda asosiy qismlar birliklardir. Juftlangan ketma-ketliklar 2 ming, 10 ming yoki 50 ming tayanch juft uzunlikdagi klonlarning uchlarida joylashganligini bilgan holda - ya'ni ular bir-biridan ma'lum miqdordagi teshiklar masofasida joylashganga o'xshaydi - ularni bir qatorga qo'yish mumkin.

Meva chivinlari genomining beshdan bir qismini tashkil etgan Jerri Rubin ketma-ketligida ushbu texnikani sinab ko'rish atigi 500 ta bo'shliqqa olib keldi. Avgust oyida o'z ma'lumotlarimizni sinab ko'rdik, biz 800 000 dan ortiq kichik bo'laklarga ega bo'ldik. Qayta ishlash uchun ma'lumotlarning sezilarli darajada ko'pligi texnikaning yomon ishlaganligini ko'rsatdi - natija kutilganidan teskari bo'ldi. Keyingi bir necha kun ichida vahima kuchaydi va mumkin bo'lgan xatolar ro'yxati uzaytirildi. 2-binoning yuqori qavatidan hazil bilan “Tinch xonadonlar” deb atalgan xonaga adrenalin oqimi kirib keldi. Biroq, u erda tinchlik yoki osoyishtalik hissi yo'q edi, ayniqsa kamida bir necha hafta davomida, xodimlar vaziyatdan chiqish yo'lini qidirib, aylana bo'ylab aylanib yurishgan.

Muammoni oxir-oqibat Overlapper dasturi bilan ishlagan Artur Delcher hal qildi. U 150 000 kod satrining 678-qatorida g'alati narsani payqadi, bu erda kichik nomuvofiqlik o'yinning muhim qismi qayd etilmaganini anglatardi. Xato tuzatildi va 7 sentyabrda bizda haqiqiy (euxromatik) meva chivinlari genomini qoplaydigan 134 ta hujayra iskala bor edi. Biz xursand bo‘lib, yengil nafas oldik. Bizning muvaffaqiyatimizni butun dunyoga e'lon qilish vaqti keldi.

Men bir necha yil oldin mezbonlik qila boshlagan Genom ketma-ketligi konferentsiyasi buning uchun ajoyib imkoniyat yaratdi. Ishonchim komilki, va'damizga vafo qilganimiz yo'qmi, degan savolga ko'p odamlar bor. Men Mark Adams, Gen Mayers va Jerri Rubin yutuqlarimiz haqida, birinchi navbatda, ketma-ketlik jarayoni, genom yig'ilishi va buning fan uchun ahamiyati haqida gapirishga qaror qildim. Konferentsiyaga kelishni xohlovchilar oqimi tufayli men uni Hilton Headdan Mayamidagi kattaroq Fontainebleau mehmonxonasiga ko'chirishga majbur bo'ldim. Anjumanda yirik farmatsevtika va biotexnologiya kompaniyalari vakillari, butun dunyodan genomik tadqiqotlar bo'yicha mutaxassislar, ko'plab sharhlovchilar, muxbirlar va investitsiya kompaniyalari vakillari ishtirok etdi - hamma u erda edi. Incyte kompaniyasidan raqobatchilarimiz konferentsiyadan so'ng ziyofat tashkil etish, korporativ video suratga olish va hokazolar uchun ko'p pul sarfladilar - ular jamoatchilikni "inson genomi haqida eng batafsil ma'lumot"ni taklif qilishlariga ishontirish uchun hamma narsani qilishdi.

Biz katta konferentsiya xonasida yig'ildik. Neytral ranglarda bezatilgan, devor lampalari bilan bezatilgan, u ikki ming kishiga mo'ljallangan edi, lekin odamlar kelishda davom etdi va tez orada zal to'liq to'ldi. Konferentsiya 1999-yil 17-sentyabrda birinchi sessiyada Jerri, Mark va Genning taqdimotlari bilan ochildi. Qisqa kirish so'zidan so'ng, Jerri Rubin tomoshabinlar u ishtirok etgan mashhur kompaniyalarning eng yaxshi qo'shma loyihasi haqida eshitishlarini e'lon qildi. Atmosfera qizib ketdi. Tomoshabinlar, agar biz chinakam shov-shuvli narsa tayyorlamaganimizda, u bu qadar dabdabali gapirmagan bo'lishini tushunishdi.

Keyingi sukunatda Mark Adams Celeradagi "to'qimachilik do'konimiz" ishini va bizning yangi genom tartiblash usullarini batafsil tasvirlay boshladi. Biroq, u yig'ilgan genom haqida bir og'iz so'z aytmadi, xuddi tomoshabinlarni masxara qilgandek. Keyin Gen chiqdi va ov miltig'i usuli tamoyillari haqida, Gemofilning ketma-ketligi va assemblerning asosiy bosqichlari haqida gapirdi. Kompyuter animatsiyasidan foydalanib, u teskari genom yig'ilishining butun jarayonini namoyish etdi. Taqdimotlar uchun ajratilgan vaqt tugab qoldi va ko'pchilik PowerPoint-dan foydalanib, aniq natijalarni taqdim etmasdan, hamma narsa elementar taqdimot bilan cheklanishiga qaror qilgan edi. Ammo keyin Gen yomon tabassum bilan tomoshabinlar hali ham haqiqiy natijalarni ko'rishni xohlashlarini va taqlid qilishdan qoniqmasliklarini ta'kidladi.

Natijalarimizni Gen Myersdan ko'ra aniqroq va ifodaliroq taqdim etishning iloji yo'q edi. U ketma-ketlik natijalarining o'zi to'g'ri taassurot qoldirmasligini tushundi, shuning uchun uni yanada ishonchli qilish uchun ularni an'anaviy usuldan foydalangan holda Jerrining mashaqqatli izlanishlari natijalari bilan taqqosladi. Ular bir xil bo'lib chiqdi! Shunday qilib, Jin bizning genom yig'ilishimiz natijalarini bir necha o'n yillar oldin meva chivinlari genomiga kiritilgan barcha ma'lum belgilar bilan taqqosladi. Minglab markerlardan faqat oltitasi yig'ilishimiz natijalariga mos kelmadi. Oltitasini diqqat bilan o'rganib chiqib, biz Celeraning ketma-ketligi to'g'ri ekanligiga va eski usullardan foydalangan holda boshqa laboratoriyalarda qilingan ishlarda xatolar mavjudligiga amin bo'ldik. Va nihoyat, Gen biz endigina inson DNKsini ketma-ketlashni boshlaganimizni va takrorlash Drosophila bilan solishtirganda kamroq muammo bo'lishini aytdi.

Shundan keyin baland va uzoq davom etgan olqishlar yangraydi. Tanaffusda ham to'xtamagan shov-shuv maqsadimizga erishganimizni anglatardi. Jurnalistlardan biri hukumatning genom loyihasi ishtirokchisini afsus bilan bosh chayqaganini payqadi: "Bu haromlar haqiqatan ham hamma narsani qiladilar" 1. Biz konferentsiyani yangi energiya zaryadi bilan tark etdik.

Bizga tanish bo'lgan ikkita muhim muammoni hal qilish kerak edi. Birinchisi, natijalarni qanday e'lon qilish kerak. Jerri Rubin bilan imzolagan anglashuv memorandumiga qaramay, bizning biznes jamoamiz Drosophila sekvensiyasining qimmatli natijalarini GenBankga o'tkazish g'oyasidan mamnun emas edi. Ular meva chivinlari ketma-ketligi natijalarini Milliy Biotexnologiya Axborot Markazida alohida ma'lumotlar bazasiga joylashtirishni taklif qilishdi, u erda hamma ulardan tijorat maqsadlarida emas, balki bitta shartda foydalanishi mumkin. Yevropa bioinformatika institutining jahldor, zanjirband chekuvchi Maykl Ashburner bundan juda norozi edi. U Celera "hammani aldagan" deb ishondi. (U Rubinga yozgan: "Celerada nima bo'lyapti?" 3) Kollinz ham baxtsiz edi, lekin eng muhimi, Jerri Rubin ham baxtsiz edi. Oxir-oqibat, men hali ham natijalarimizni GenBankga yubordim.

Ikkinchi muammo Drosophila bilan bog'liq edi - biz uning genomini ketma-ketlashtirish natijalariga ega bo'ldik, lekin biz ular nimani anglatishini umuman tushunmadik. To'rt yil oldin Haemophilus bilan qilganimizdek, biz maqola yozmoqchi bo'lsak, ularni tahlil qilishimiz kerak edi. Pashsha genomini tahlil qilish va tavsiflash bir yildan ko'proq vaqtni olishi mumkin edi - va menda bu vaqt yo'q edi, chunki endi men inson genomiga e'tibor qaratishim kerak edi. Buni Jerri va Mark bilan muhokama qilganimizdan so'ng, biz ilmiy jamoatchilikni Drosophila ustida ishlashga jalb qilishga, uni qiziqarli ilmiy muammoga aylantirishga va shu tariqa ishni tezda oldinga siljitishga qaror qildik, genomni tavsiflashning zerikarli jarayonidan qiziqarli dam olish - xalqaro skautlik jambori kabi. Biz uni “Genomik Jamboree” deb nomladik va butun dunyodagi yetakchi olimlarni pashsha genomini tahlil qilish uchun taxminan bir hafta yoki o‘n kunga Rokvilga kelishga taklif qildik. Olingan natijalarga asoslanib, biz bir qator maqolalar yozishni rejalashtirdik.

Bu fikr hammaga yoqdi. Jerri bizning tadbirimizga etakchi tadqiqotchilar guruhlariga taklifnomalar yuborishni boshladi va Celera bioinformatika bo'yicha mutaxassislar olimlarning ishini iloji boricha samarali qilish uchun qanday kompyuterlar va dasturlar kerakligini hal qilishdi. Biz Celera ularning sayohat va turar joy xarajatlarini to'lashiga kelishib oldik. Taklif etilganlar orasida mening eng qattiq tanqidchilarim ham bor edi, lekin biz ularning siyosiy ambitsiyalari korxonamiz muvaffaqiyatiga ta'sir qilmasligiga umid qilgandik.

Noyabr oyida bizga 40 ga yaqin Drosophila mutaxassislari keldi va hatto dushmanlarimiz uchun ham taklif rad etish uchun juda jozibali edi. Dastlab, ishtirokchilar bir necha kun ichida yuz milliondan ortiq asosiy juft genetik kodni tahlil qilishlari kerakligini tushunishganida, vaziyat ancha keskin edi. Yangi kelgan olimlar uxlab yotganlarida, mening xodimlarim kechayu kunduz ishlab, kutilmagan muammolarni hal qilish uchun dasturlar ishlab chiqishdi. Uchinchi kunning oxiriga kelib, yangi dasturiy vositalar olimlarga, mehmonlarimizdan biri aytganidek, “ilgari deyarli umr bo‘yi davom etadigan bir necha soat ichida ajoyib kashfiyotlar qilish” imkonini berishi ma’lum bo‘lgach, vaziyat tinchlandi. Har kuni kunning yarmida, Xitoy gongining signali bilan hamma so'nggi natijalarni muhokama qilish, dolzarb muammolarni hal qilish va keyingi bosqich uchun ish rejasini tuzish uchun yig'ilishdi.

Har kuni muhokamalar yanada qiziqarli bo'lib bordi. Celera tufayli mehmonlarimiz yangi dunyoga birinchi bo'lib qarash imkoniyatiga ega bo'lishdi va oshkor qilingan narsa kutilganidan oshib ketdi. Tez orada ma'lum bo'ldiki, biz xohlagan hamma narsani muhokama qilishga va bularning barchasi nimani anglatishini tushunishga vaqtimiz yo'q edi. Mark bayramona kechki ovqatni tashladi, u uzoq davom etmadi, chunki hamma tezda laboratoriyalarga qaytib ketdi. Ko'p o'tmay, tushlik va kechki ovqatlar kompyuter ekranlari oldida, drozofila genomi haqidagi ma'lumotlar aks ettirilgan holda iste'mol qilindi. Birinchi marta uzoq kutilgan retseptor genlari oilalari, shuningdek, odamning kasallik genlariga o'xshash hayratlanarli miqdordagi meva chivinlari genlari topildi. Har bir kashfiyot quvonchli qichqiriqlar, hushtaklar va yelkadagi do'stona zarbalar bilan birga edi. Ajablanarlisi shundaki, bizning ilmiy bayramimiz o'rtasida bir er-xotin unashtirishga vaqt topdilar.

Biroq, ba'zi tashvishlar bor edi: ish davomida olimlar kutilgan 20 ming o'rniga atigi 13 ming genni kashf qilishdi. "Past" qurti C. elegans 20 mingga yaqin genga ega bo'lganligi sababli, ko'pchilik meva pashshasida 10 baravar ko'p hujayralar va hatto asab tizimiga ega bo'lganligi sababli ular ko'proq bo'lishi kerak deb hisoblashgan. Hisob-kitoblarda xatolik yo'qligiga ishonch hosil qilishning bitta oddiy usuli bor edi: pashshaning 2500 ta ma'lum genini oling va ularning qanchasini biz ketma-ketlikda topishimiz mumkinligini ko'ring. Stenford universitetidan Maykl Cherri sinchkovlik bilan tahlil qilgandan so'ng, u oltitadan tashqari barcha genlarni topganligini ma'lum qildi. Muhokamadan so'ng, bu olti gen artefakt sifatida tasniflandi. Genlarning xatosiz aniqlangani bizni ruhlantirdi va ishonch bag‘ishladi. Drosophila tadqiqotiga bag'ishlangan minglab olimlar jamoasi o'nlab yillar davomida ushbu 2500 genni kuzatib borishgan va hozirda ularning 13,600 ga yaqini kompyuter ekranida turibdi.

Ish oxiridagi muqarrar fotosessiya paytida unutilmas lahzalar keldi: an'anaviy yelka va do'stona qo'l siqishdan so'ng, Mayk Esburner to'rt oyoqqa cho'zildi, shunda men uning orqasida oyog'imni suratda abadiylashtirishim mumkin edi. . Shunday qilib, u barcha shubhalari va shubhalariga qaramay, bizning yutuqlarimizni qadrlashni xohladi. Mashhur genetik va drozofila tadqiqotchisi, u hatto fotosuratga tegishli sarlavhani ham o'ylab topdi: "Devning yelkasida". (Uning qiyofasi ancha zaif edi.) "Kelinglar, bunga loyiq bo'lganlarni taqdirlaylik", deb yozgan edi 4 . Bizning raqiblarimiz ketma-ketlik natijalarini ommaviy ma'lumotlar bazasiga o'tkazishdagi kechikishlarni bizning va'dalarimizdan chetga chiqish sifatida ko'rsatishga harakat qilishdi, ammo ular ham bu uchrashuv "meva chivinlari bo'yicha global tadqiqotlarga o'ta qimmatli hissa" qo'shganini tan olishga majbur bo'lishdi. Haqiqiy "ilmiy nirvana" nima ekanligini boshdan kechirib, hamma do'st sifatida ajralishdi.

Biz uchta yirik maqolani nashr etishga qaror qildik: birinchi muallif Mayk bilan butun genom ketma-ketligi, birinchi muallif Gen bilan genom yig'ilishi va uchinchisi Jerri bilan birinchi muallif sifatida qurt, xamirturush va inson genomining qiyosiy genomikasiga bag'ishlangan. muallif. Maqolalar Science jurnaliga 2000-yilning fevral oyida taqdim etilgan va 2000-yil 24-martda, Cold Spring Harborda Jerri Rubin bilan suhbatimdan bir yil o‘tmay maxsus nashrda chop etilgan. 6 Nashr qilishdan oldin, Jerri meni Pitsburgda bo'lib o'tadigan yillik Drosophila tadqiqot konferentsiyasida ma'ruza qilishimni tayinladi, unda bu sohaning yuzlab taniqli odamlari ishtirok etdi. Xonadagi har bir stulga mening xodimlarim Drosophila genomini o'z ichiga olgan kompakt diskni, shuningdek, Science jurnalida chop etilgan maqolalarimizni qayta nashr qilishdi. Jerri meni juda samimiy tanishtirdi va olomonni barcha majburiyatlarimni bajarganimga va biz birga yaxshi ishlaganimizga ishontirdi. Ma’ruzam yig‘ilish davomida olib borilgan ayrim tadqiqotlar bo‘yicha hisobot va kompakt diskdagi ma’lumotlarga qisqacha izoh berish bilan yakunlandi. Nutqimdan keyingi qarsaklar besh yil avval Xem va men mikrobiologiya konventsiyasida Gemofil genomini birinchi marta taqdim etganimizda bo'lgani kabi hayratlanarli va yoqimli edi. Keyinchalik Drosophila genomiga oid maqolalar fan tarixida eng ko'p iqtibos keltiriladigan maqolalarga aylandi.

Dunyo bo'ylab minglab meva chivinlari tadqiqotchilari natijalardan xursand bo'lishsa-da, mening tanqidchilarim tezda hujumga o'tishdi. Jon Sulston pashsha genomini ketma-ketlashtirishga urinishni muvaffaqiyatsiz deb atadi, garchi biz olgan ketma-ketlik uning qurt genomini ketma-ketlashtirish bo‘yicha o‘n yillik mashaqqatli sa’y-harakatlari natijasidan ko‘ra to‘liqroq va aniqroq bo‘lgan bo‘lsa-da, bunga yana to‘rt yil kerak bo‘ldi. loyihasi Fanda nashr etilgandan keyin. Sulstonning hamkasbi Maynard Olson Drosophila genomlari ketma-ketligini hukumatning Inson genomi loyihasi Celeraning "inoyati bilan" hal qilishi kerak bo'lgan "sharmandalik" deb atadi. Darhaqiqat, Jerri Rubin jamoasi ikki yildan kamroq vaqt ichida allaqachon ketma-ketlashtirilgan genomni nashr etish va qiyosiy tahlil qilish orqali ketma-ketlikdagi qolgan bo'shliqlarni tezda yopishga muvaffaq bo'ldi. Ushbu ma'lumotlar bizda butun genomda 10 kb uchun 1-2 xato va ishlaydigan (euxromatik) genomda 50 kb uchun 1 dan kam xato borligini tasdiqladi.

Biroq, Drosophila loyihasining umumiy e'tirofiga qaramay, mening Toni Uayt bilan munosabatlarimdagi keskinliklar 1999 yilning yozida isitma darajasiga yetdi. Uayt matbuotning mening shaxsimga bo'lgan e'tibori bilan kelisha olmadi. U har gal Celeraga kelganida ishxonam yonidagi dahlizdagi devorlarga osilgan yutuqlarimiz haqidagi maqolalar nusxalari yonidan o‘tardi. Mana biz ulardan birini - USA Today gazetasining yakshanba kungi ilovasining muqovasini kattalashtirdik. Unda “Bu ADVENTURIST zamonamizning eng katta ilmiy kashfiyoti qiladimi?” rukni ostida. 7 menga ko'k katakli ko'ylakda, oyoqlarimni kesib o'tganini va atrofimda Kopernik, Galiley, Nyuton va Eynshteyn havoda suzib yurganini ko'rsatdi - va Oqning belgisi yo'q.

Har kuni uning matbuot kotibi Toni Celerada bo'lib o'tadigan cheksiz intervyular oqimida qatnasha oladimi yoki yo'qligini bilish uchun qo'ng'iroq qildi. U bir oz xotirjam bo'ldi - va shundan keyingina qisqa vaqt ichida u o'zining fotosuratini Forbes jurnalining muqovasida PerkinElmerning kapitallashuvini 1,5 milliard dollardan 24 milliard dollargacha oshirishga muvaffaq bo'lgan odam sifatida joylashtirishga muvaffaq bo'ldi 8 . (“Toni Uayt kambag'al Perkin Elmerni yuqori texnologiyali gen ushlagichiga aylantirdi.”) Toni ham mening ijtimoiy faoliyatimga ta'sir qildi.

Men haftada bir marta ma'ruza qildim, doimiy ravishda qabul qilingan taklifnomalarning kichik qismini qabul qildim, chunki dunyo bizning ishimiz haqida bilishni xohladi. Toni hatto o'sha paytda PE korporatsiyasi deb o'zgartirilgan PerkinElmer direktorlar kengashiga mening sayohatlarim va chiqishlarim korporativ qoidalarni buzganidan shikoyat qildi. Cape Coddagi uyimda ikki haftalik ta'til paytida (o'z mablag'im hisobiga) Toni CFO Dennis Uinger va Applera bosh maslahatchisi Uilyam Sauch bilan "Venterning boshqaruv samaradorligi" haqida eng yaxshi xodimlarim bilan suhbatlashish uchun Celeraga uchib ketdi. Ular meni ishdan bo'shatishimni oqlash uchun yetarlicha kir yig'ishga umid qilishdi. Hamma ishdan ketsam, ular ham tashlab ketishadi, deganida Oq hayratda qoldi. Bu jamoamiz ichida katta keskinlikni keltirib chiqardi, ammo bu bizni har qachongidan ham bir-biriga yaqinlashtirdi. Biz har bir g'alabani oxirgisidek nishonlashga tayyor edik.

Chivin genomlari ketma-ketligi e'lon qilingandan so'ng - o'sha paytga qadar tarixdagi eng katta ketma-ketlik - Gen, Xem, Mark va men Toni Uayt bilan muvaffaqiyatimiz tan olinishi uchun etarlicha uzoq turdik. Bizning usulimiz inson genomini tartiblashda ham ishlashini isbotladik. Toni Uayt ertasi kuni moliyalashtirishni to'xtatgan taqdirda ham, asosiy yutug'imiz bizda qolishini bilardik. Men hamma narsadan ko'ra Celerani tark etishni va Toni Uayt bilan shug'ullanishni xohlamadim, lekin men Homo sapiens genomini yanada ko'proq ketma-ketlashtirishni xohlaganim uchun, murosaga kelishga majbur bo'ldim. Men Uaytni xursand qilish uchun qo'limdan kelganicha harakat qildim, faqat ishni davom ettirish va rejamni bajarish uchun.

Eslatmalar

1. Shreeve J. Genom urushi: Kreyg Venter qanday qilib hayot kodeksini qo'lga kiritishga va dunyoni qutqarishga harakat qildi (Nyu-York: Ballantine, 2005), p. 285.

2. Ashburner M. Hamma uchun g'alaba qozondi: Drosophila genomining ketma-ketligi qanday edi (Cold Spring Harbor Laboratory Press, 2006), p. 45.

3. Shreeve J. Genom urushi, p. 300.

4. Ashburner M. Hamma uchun g'alaba qozondi, p. 55.

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

6. Adams M. D., Celniker S. E. va boshqalar. "Drosophila Melanogasterning genom ketma-ketligi", Fan, № 287, 2185–95, 2000 yil 24 mart.

7. Gillis J. "Bu MAVERICK o'z davridagi eng buyuk ilmiy kashfiyotni ochadimi? Kopernik, Nyuton, Eynshteyn va VENTER?”, AQSh Weekend, 1999 yil 29-31 yanvar.

8. Ross P. E. “Gen mashinasi”, Forbes, 2000 yil 21 fevral.

Kreyg Venter

Biologiya bo'yicha Butunrossiya testi namunasi

11-sinf

Ishni bajarish bo'yicha ko'rsatmalar

Test 14 ta topshiriqni o'z ichiga oladi. Biologiya ishini bajarish uchun 1 soat 30 daqiqa (90 daqiqa) vaqt ajratiladi.

Vazifalarga javoblar raqamlar ketma-ketligi, raqam, so'z (ibora) yoki qisqa bepul javob bo'lib, ular ushbu ish uchun ajratilgan bo'shliqqa yoziladi. Agar siz noto'g'ri javob yozsangiz, uni kesib tashlang va uning yoniga yangisini yozing.

Topshiriqlarni bajarishda siz qoralamadan foydalanishingiz mumkin. Ishni baholashda loyihadagi yozuvlar hisobga olinmaydi. Biz sizga topshiriqlarni berilgan tartibda bajarishingizni maslahat beramiz. Vaqtni tejash uchun darhol bajara olmaydigan vazifani o'tkazib yuboring va keyingisiga o'ting. Agar barcha ishlarni tugatgandan keyin vaqtingiz qolsa, o'tkazib yuborilgan vazifalarga qaytishingiz mumkin.

Bajarilgan topshiriqlar uchun olgan ballaringiz umumlashtiriladi.

Iloji boricha ko'proq vazifalarni bajarishga harakat qiling va eng ko'p ball to'plang.

Butunrossiya test ishi namunasi uchun tushuntirishlar

Namunaviy test ishi bilan tanishayotganda, namunaga kiritilgan topshiriqlar butun Rossiya test ishining bir qismi sifatida sinovdan o'tkaziladigan barcha ko'nikmalar va kontent masalalarini aks ettirmasligini yodda tutishingiz kerak. Ishda sinab ko'rilishi mumkin bo'lgan kontent elementlari va ko'nikmalarning to'liq ro'yxati kontent elementlarining kodifikatorida va biologiya bo'yicha CD yaratish uchun bitiruvchilarning tayyorgarlik darajasiga qo'yiladigan talablarda keltirilgan. Namunaviy test ishining maqsadi VPR tuzilishi, topshiriqlar soni va shakli, ularning murakkablik darajasi haqida tushuncha berishdir.

1. Tajribada eksperimentator tomchining bir qismini undagi amyobalar bilan yoritgan. Qisqa vaqt o'tgach, protozoa bir yo'nalishda faol harakatlana boshladi.

1.1. Tajriba organizmlarning qaysi xususiyatini ko'rsatadi?

Izoh: tirik organizmlarning 7 ta xususiyati mavjud (jonli mavjudotlar jonsiz mavjudotlardan aynan shu xususiyatlari bilan farqlanadi): ovqatlanish, nafas olish, qo'zg'aluvchanlik, harakatchanlik, ajralib chiqish, ko'payish, o'sish. Amyobalar tomchining yorug' qismidan qorong'i qismga o'tadi, ular yorug'likka reaksiyaga kirishadi, ya'ni biz xususiyatni tanlaymiz - tirnash xususiyati.

Javob: asabiylashish.

1.2. O'simliklardagi shunga o'xshash hodisaga misol keltiring.

Tushuntirish: bu erda biz o'simliklardagi reaktsiyaning (tirnash xususiyati namoyon bo'lishi) har qanday misolini yozishimiz mumkin.

Javob: yirtqich o'simliklarda tutqichni yopish YOKI barglarni quyoshga burish yoki kungaboqarning quyoshdan keyin kun davomida harakatlanishi YOKI landshaftning (atrof-muhit) o'zgarishi tufayli poyasining egilishi.

2. Oʻrmon chetida koʻplab oʻsimliklar, hayvonlar, zamburugʻlar va mikroorganizmlar yashaydi va oʻzaro taʼsir qiladi. Ilon, burgut, tipratikan, tirik kaltakesak va chigirtkani o'z ichiga olgan guruhni ko'rib chiqaylik. Vazifalarni bajaring.

2.1. Yuqoridagi guruhga kiritilgan fotosuratlar va chizmalarda ko'rsatilgan narsalarni belgilang.

1 - jonli kaltakesak

2 - ilon

3 - kirpi jamoasi

4 - oddiy chigirtka

5 - burgut

2.2. Bu organizmlarni oziq zanjiridagi joylashuviga qarab tasniflang. Har bir katakka guruhdagi ob'ektlardan birining raqamini yoki nomini yozing.

Oziq-ovqat zanjiri: tipratikan - oddiy chigirtka - jonli kaltakesak - ilon - burgut.

Izoh: biz oziq-ovqat zanjirini ishlab chiqaruvchi (yashil o'simlik - organik moddalar ishlab chiqaruvchisi) - tipratikan, keyin 1-tartib iste'molchi (iste'molchilar organik moddalarni iste'mol qiladilar va bir nechta buyurtmalarga ega) - oddiy chigirtka, viviparous kaltakesak (2-tartib iste'molchi) bilan boshlaymiz. , ilon (3-tartib iste'molchi), burgut (4-tartib iste'molchi).

2.3. Jamoadagi tipratikanlarning kamayishi burgutlar soniga qanday ta'sir qiladi? Javobingizni asoslang.

Javob: jamoadagi kirpi soni kamayganda, barcha keyingi komponentlar soni va oxir-oqibat burgutlar kamayadi, ya'ni burgutlar soni kamayadi.

3. Tabiatdagi uglerod aylanishining diagrammasi ko'rsatilgan rasmga qarang. Savol belgisi bilan ko'rsatilgan moddaning nomini ko'rsating.

Izoh: Savol belgisi karbonat angidridni (CO2) bildiradi, chunki CO2 organik moddalarning yonishi, nafas olishi va parchalanishi paytida hosil bo'ladi va fotosintez paytida u hosil bo'ladi (shuningdek, suvda eriydi).

Javob: karbonat angidrid (CO2).

4. Piter 25 ta probirkaga teng miqdorda ferment va uning substratini aralashtirdi. Naychalar bir vaqtning o'zida turli haroratlarda qoldirildi va reaktsiya tezligi o'lchandi. Tajriba natijalariga asoslanib, Piter grafik tuzdi (x o'qi haroratni (Selsiy gradusida), y o'qi esa reaktsiya tezligini (ixtiyoriy birliklarda) ko'rsatadi.

Fermentativ reaksiya tezligining haroratga bog'liqligini ta'riflang.

Javob: harorat 30C ga ko'tarilganda, reaktsiya tezligi oshadi, keyin pasaya boshlaydi. Optimal harorat 38 daraja.

5. Biologik tizimlar elementlarining eng kattasidan boshlab bo'ysunish ketma-ketligini belgilang.

Yo'qolgan elementlar:

1 kishi

2. Biceps

3. Mushak hujayrasi

4. Qo'l

5. Aminokislotalar

6. Aktin oqsili

Tegishli raqamlar ketma-ketligini yozing.

Tushuntirish: Elementlarni eng yuqori darajadan boshlanadi:

inson organizmdir

qo'l - organ

biceps - mato

mushak hujayrasi - hujayrali

aktin oqsili - molekulyar (oqsillar aminokislotalardan iborat)

aminokislota - molekulyar

Javob: 142365.

6. Oqsillar inson va hayvonlar organizmida juda ko'p muhim vazifalarni bajaradi: ular organizmni qurilish materiali bilan ta'minlaydi, biologik katalizator yoki regulyator bo'lib, harakatni ta'minlaydi va kislorodning bir qismini tashiydi. Tana muammolarga duch kelmasligi uchun kuniga 100-120 g protein kerak.

6.1. Jadval ma'lumotlaridan foydalanib, agar uning dietasida 20 g non, 50 g smetana, 15 g pishloq va 75 g treska bo'lsa, kechki ovqat paytida olingan protein miqdorini hisoblang. Javobingizni butun raqamlarga yaxlitlang.

Tushuntirish: 100 g nonda 7,8 g protein, keyin 20 g nonda 5 baravar kam protein - 1,56 g. g pishloqda - 20 g oqsil, 15 g pishloqda - 3 g, 100 g treskada - 17,4 g protein, 75 g treskada - 13,05 g.

Jami: 1,56 + 1,5 + 3 + 13,05 = 19,01 (bu taxminan 19 ga teng).

Javob: 19

YOKI

6.1.Odam 120 mg kofein bo'lgan bir chashka kuchli qahva ichdi, u to'liq so'riladi va qon va boshqa tana suyuqliklarida bir tekis taqsimlanadi. O'rganilayotgan odamda tana suyuqliklarining hajmi 40 litrga teng deb hisoblanishi mumkin. Agar kofein 2 mg/l konsentratsiyada ta'sir qilishni to'xtatsa va uning konsentratsiyasi soatiga 0,23 mg ga kamaysa, iste'mol qilinganidan keyin qancha vaqt (soatlarda) kofein bu odamga ta'sir qilishni to'xtatib qo'yishini hisoblang. Javobingizni o'ndan biriga aylantiring.

Izoh: 120 mg kofein butun inson tanasiga 40 litr hajmda tarqaldi, ya'ni konsentratsiyasi 3 mg/l ga etdi. 2 mg / l konsentratsiyada kofein ta'sir qilishni to'xtatadi, ya'ni faqat 1 mg / l samarali bo'ladi. Soat sonini bilish uchun 1 mg/l ni 0,23 mg ga bo'ling (soatiga konsentratsiyaning pasayishi), biz 4,3 soatni olamiz.

Javob: 4,3 soat.

6.2. Ovqat hazm qilish tizimi bezlari tomonidan ishlab chiqariladigan fermentlardan birini ayting:

Javob: oshqozon devorlari pepsin ishlab chiqaradi, u kislotali muhitda oqsillarni dipeptidlarga parchalaydi. Lipaza lipidlarni (yog'larni) parchalaydi. Nukleazlar nuklein kislotalarni parchalaydi. Amilaza kraxmalni parchalaydi. Maltaza maltozani glyukozaga parchalaydi. Laktaza laktozani glyukoza va galaktozaga parchalaydi. Siz bitta ferment yozishingiz kerak.

7. Sanab o'tilgan kasalliklarning kelib chiqishini aniqlang. Ro'yxatdagi har bir kasallikning raqamlarini jadvalning tegishli katakchasiga yozing. Jadval kataklarida bir nechta raqamlar yozilishi mumkin.

Inson kasalliklari ro'yxati:

1. Gemofiliya

2. Tovuq poxi

3. Skorvit

4. Miokard infarkti

5. Vabo kasalligi

Izoh: CDF uchun Inson kasalliklariga qarang

8. Genealogik usul tibbiy genetikada keng qo'llaniladi. U insonning nasl-nasabini tuzish va ma'lum bir xususiyatning merosini o'rganishga asoslangan. Bunday tadqiqotlarda ma'lum belgilar qo'llaniladi. Ba'zi a'zolarining quloq chig'anoqlari bo'lgan bir oilaning shajarasi parchasini o'rganing.

Taklif etilgan sxemadan foydalanib, bu belgi dominant yoki retsessiv ekanligini va jinsiy xromosomalar bilan bog'langanligini aniqlang.

Tushuntirish: belgi retsessivdir, chunki birinchi avlodda u umuman ko'rinmaydi, ikkinchi avlodda esa faqat 33% bolalarda namoyon bo'ladi. Bu xususiyat jinsga bog'liq emas, chunki u o'g'il bolalarda ham, qizlarda ham namoyon bo'ladi.

Javob: retsessiv, jinsga bog'liq emas.

9. Vladimir har doim otasi kabi qo'pol sochlarga ega bo'lishni xohlardi (dominant xususiyat (A)). Ammo sochlari xuddi onasinikidek mayin edi. Soch sifatiga qarab oila a'zolarining genotiplarini aniqlang. Javoblaringizni jadvalga kiriting.

Tushuntirish: yumshoq sochlar retsessiv xususiyatdir (a), otasi bu xususiyat uchun geterozigotadir, chunki o'g'il onasi kabi gomozigotli retsessivdir (aa). Ya'ni:

R: Aa x aa

G: Oh, a x a

F1: Aa - qo'pol sochli bolalarning 50%

aa - yumshoq sochli bolalarning 50%.

Javob:

Ona	Ota	O'g'lim
ahh	Ahh	ahh

10. Yekaterina donor sifatida qon topshirishga qaror qildi. Qon olishda Ketrinning III guruhi borligi ma'lum bo'ldi. Yekaterina onasining qon guruhi I borligini biladi.

10.1. Ketrinning otasi qanday turdagi qonga ega bo'lishi mumkin?

Izoh: Jadvaldagi ma'lumotlarga asoslanib, Ketrinning otasi III yoki IV qon guruhiga ega bo'lishi mumkin.

Javob: III yoki IV.

10.2. Qon quyish qoidalariga asoslanib, Ketrin otasi uchun qon donori bo'lishi mumkinligini aniqlang.

Izoh: I qon guruhiga ega Yekaterina universal donordir (agar Rh omillari mos kelsa), ya'ni qonni undan otasiga quyish mumkin.

Javob: ehtimol.

11. Rasmda ko'rsatilgan organellaning vazifasi organik moddalarning oksidlanishi va ATP sintezi jarayonida energiyani saqlashdir. Bu jarayonlarda ushbu organoidning ichki membranasi muhim rol o'ynaydi.

11.1. Bu organellaning nomi nima?

Javob: Rasmda mitoxondriya ko'rsatilgan.

11.2. Organelladagi ichki membrananing o'ralishi uning bajaradigan funktsiyasi bilan qanday bog'liqligini tushuntiring.

Javob: ichki membrananing burmalari yordamida u organellaning ichki yuzasini oshiradi va ko'proq miqdordagi organik moddalar oksidlanishi mumkin, shuningdek ATP sintazalari - fermentativ komplekslar tomonidan ko'proq miqdorda ATP ishlab chiqarilishi mumkin. energiya ATP (asosiy energiya molekulasi) shaklida.

12. mRNK fragmenti quyidagi ketma-ketlikka ega:

UGCGAAUGUUUUGTSUG

Ushbu RNK molekulasining sintezi uchun shablon bo'lib xizmat qilgan DNK bo'limining ketma-ketligini va mRNKning ushbu fragmenti tomonidan kodlangan oqsilning ketma-ketligini aniqlang. Vazifani bajarayotganda, to'ldiruvchilik qoidasidan va genetik kod jadvalidan foydalaning.

Jadvaldan foydalanish qoidalari

Tripletdagi birinchi nukleotid chap vertikal qatordan olinadi; ikkinchisi - yuqori gorizontal qatordan va uchinchisi - o'ng vertikal qatordan. Barcha uchta nukleotiddan keladigan chiziqlar kesishgan joyda kerakli aminokislota joylashgan.

Izoh: ketma-ketlikni tripletlarga bo'ling (har birida uchta nukleotid): UGC GAA UGU UUG TsUG. DNKdagi nukleotidlarning tegishli ketma-ketligini yozamiz (nukleotidlarning teskari komplementar ketma-ketligi, A-T (U RNKda), G-C ni hisobga olgan holda.

Ya'ni, DNK zanjiri: ACG CTT ACA AAU GAU.

RNK ketma-ketligidan foydalanib, biz mos keladigan aminokislotalar ketma-ketligini topamiz. Birinchi amino kislotalar cis, keyin glu, cis, leu, leu.

Protein: cis-glu-cis-ley-ley.

12.3. Pomidor genomini dekodlashda DNK molekulasining fragmentida timinning ulushi 20% ni tashkil etishi aniqlandi. DNKdagi azotli asoslarning har xil turlari (G+T = A+C) o‘rtasidagi miqdoriy munosabatlarni tavsiflovchi Chargaff qoidasidan foydalanib, ushbu namunadagi sitozin bilan nukleotidlar miqdorini (%) hisoblang.

Izoh: agar timin miqdori 20% bo'lsa, adenin miqdori ham 20% ni tashkil qiladi (chunki ular bir-birini to'ldiradi). Guanin va sitozin uchun 60% qoladi (100 - (20 + 20)), ya'ni har birida 30%.

Javob: sitozin 30% ni tashkil qiladi.

13. Zamonaviy evolyutsiya nazariyasini quyidagi diagramma shaklida tasvirlash mumkin.

Javob: ehtimol jirafaning ajdodlari turli bo'yin uzunliklariga ega bo'lgan, ammo jirafalar baland o'sadigan yashil barglarga etib borishlari kerak bo'lganligi sababli, faqat uzun bo'yinli jirafalar omon qolgan, ya'ni eng mos (bu xususiyat avloddan-avlodga o'tib kelgan, bu). populyatsiyaning genetik tarkibining o'zgarishiga olib keldi). Shunday qilib, tabiiy tanlanish davrida faqat eng uzun bo'yinli shaxslar omon qoldi va bo'yin uzunligi asta-sekin o'sib bordi.

14. Rasmda 370-250 million yil avval yashagan yo‘q bo‘lib ketgan daraxtsimon gimnosperm o‘simligi kordait ko‘rsatilgan.

Geoxronologik jadvalning bir qismidan foydalanib, ushbu organizm yashagan davr va davrlarni aniqlang. Qanday o'simliklar ularning ajdodlari bo'lgan?

Geoxronologik jadval

Izoh: Gimnospermlar, ehtimol, paleozoy davrida paydo bo'lgan. davrlar: perm, karbon (ehtimol devon). Ular daraxt paporotniklaridan paydo bo'lgan (paleozoy erasida ko'proq ibtidoiy o'simliklar, mezozoy erasida gimnospermlar keng tarqalib, gullab-yashnagan).

Era: paleozoy

Davrlar: perm, karbon, devon

Mumkin ajdodlar: daraxt paporotniklari

2 018 Rossiya Federatsiyasi Ta'lim va fan sohasida nazorat bo'yicha Federal xizmati

to'liq aniqlangan. Shuning uchun nematod genomini ochish bo'yicha ish juda muvaffaqiyatli deb hisoblanishi kerak.

Bundan ham katta muvaffaqiyat drozofila genomini dekodlash bilan bog'liq

Hajmi bo'yicha inson DNKsidan 2 marta kichikroq va nematod DNKsidan 20 marta katta. Drosophila genetik bilimining yuqori darajasiga qaramay, uning genlarining taxminan 10 foizi shu paytgacha noma'lum edi. Ammo eng paradoksal narsa shundaki, nematodaga qaraganda ancha yuqori darajada tashkil etilgan Drosophila mikroskopik yumaloq qurtga qaraganda kamroq genlarga ega! Zamonaviy biologik nuqtai nazardan, buni tushuntirish qiyin. Klassik eksperimental ob'ekt sifatida genetiklar tomonidan keng qo'llaniladigan xochga mixlanganlar oilasi - Arabidopsisning deşifrlangan genomida Drosophila genidan ko'proq genlar mavjud.

Genomik loyihalarni ishlab chiqish fan va texnikaning ko'plab sohalarida jadal rivojlanish bilan birga bo'ldi. Shunday qilib, bioinformatika uning rivojlanishi uchun kuchli turtki oldi. Katta hajmdagi axborotni saqlash va qayta ishlash uchun yangi matematik apparat yaratildi; misli ko'rilmagan quvvatga ega superkompyuter tizimlari ishlab chiqilgan; Minglab dasturlar yozildi, ular bir necha daqiqada turli xil ma'lumotlar bloklarini qiyosiy tahlil qilish, har kuni kompyuter ma'lumotlar bazalariga yangi ma'lumotlarni kiritish,

Dunyo bo'ylab turli laboratoriyalarda olingan va yangi ma'lumotlarni ilgari to'planganlarga moslashtirgan. Shu bilan birga, genomning turli elementlarini samarali izolyatsiya qilish va avtomatik sekvensiyalash, ya'ni DNKning nukleotidlar ketma-ketligini aniqlash uchun tizimlar ishlab chiqilgan. Shu asosda ketma-ketlikni sezilarli darajada tezlashtiradigan va uni arzonlashtiradigan kuchli robotlar ishlab chiqilgan.

Genomikaning rivojlanishi, o'z navbatida, juda ko'p yangi faktlarning ochilishiga olib keldi. Ularning ko'pchiligining ahamiyati hali ham baholanishi kerak

kelajak. Ammo hozir ham bu kashfiyotlar Yerda hayotning turli shakllarining paydo bo'lishi va evolyutsiyasiga oid ko'plab nazariy pozitsiyalarni qayta ko'rib chiqishga olib kelishi aniq. Ular alohida hujayralar faoliyati va ularning o'zaro ta'siri ostida yotgan molekulyar mexanizmlarni yaxshiroq tushunishga yordam beradi; hali noma'lum bo'lgan ko'plab biokimyoviy tsikllarning batafsil dekodlanishi;

ularning fundamental fiziologik jarayonlar bilan aloqasini tahlil qilish.

Shunday qilib, strukturaviy genomikaga o'tish mavjud

funktsional, bu esa o'z navbatida zarur shart-sharoitlarni yaratadi

hujayralar va butun organizm faoliyatining molekulyar asoslarini o'rganish.

Endi to'plangan ma'lumotlar tahlil mavzusi bo'ladi

keyingi bir necha o'n yilliklar. Ammo har bir keyingi qadam

turli xil genomlarning tuzilishini dekodlash yo'nalishi ma'lumot olish jarayonini osonlashtiradigan yangi texnologiyalarni keltirib chiqaradi. Shunday qilib,

tirik mavjudotlarning quyi uyushgan turlari genlarining tuzilishi va funktsiyasi haqidagi ma'lumotlardan foydalanish qidiruvni sezilarli darajada tezlashtirishi mumkin

genlarni qidirishning ancha mehnat talab qiladigan molekulyar usullarini almashtirmoqda.

Muayyan turning genom tuzilishini dekodlashning eng muhim natijasi uning barcha genlarini aniqlash qobiliyatidir.

shunga ko'ra, transkripsiyalangan RNK molekulalari va uning barcha oqsillarining molekulyar tabiatini aniqlash va aniqlash. Genomga oʻxshatish boʻyicha transkripsiya natijasida hosil boʻlgan RNK molekulalari hovuzini birlashtiruvchi transkriptom va genlar bilan kodlangan koʻplab oqsillarni oʻz ichiga olgan iproteom tushunchalari tugʻildi. Shunday qilib, genomika yangi fanlarning jadal rivojlanishi uchun asos yaratadi - proteomika va transkriptomika. Proteomika har bir oqsilning tuzilishi va funktsiyasini o'rganadi; hujayraning oqsil tarkibini tahlil qilish; individual hujayra faoliyatining molekulyar asoslarini aniqlash, bu

ko'p yuzlab oqsillarning muvofiqlashtirilgan ishi natijasi va

organizmning fenotipik xususiyatini shakllantirishni o'rganish,

milliardlab hujayralarning muvofiqlashtirilgan ishi natijasida.

Juda muhim biologik jarayonlar ham RNK darajasida sodir bo'ladi. Ularning tahlili transkriptomikaning predmeti hisoblanadi.

Dunyoning ko'plab mamlakatlari olimlarining genomika sohasida ishlayotgan eng katta sa'y-harakatlari "Inson genomi" xalqaro loyihasini hal qilishga qaratilgan. Ushbu sohadagi sezilarli yutuqlar g'oyani amalga oshirish bilan bog'liq,

J. S. Venter tomonidan taklif qilingan, izlang va tahlil qiling

ifodalangan DNK ketma-ketliklari, keyinchalik ular genomning ma'lum hududlarining "teglari" yoki markerlari sifatida ishlatilishi mumkin. Fr boshchiligidagi guruh ishida yana bir mustaqil va unchalik samarali bo'lmagan yondashuv qo'llanildi.

Kollinz. U insonning irsiy kasalliklari uchun genlarni birlamchi aniqlashga asoslangan.

Inson genomining tuzilishini dekodlash shov-shuvli kashfiyotga olib keldi. Ma’lum bo‘lishicha, inson genomida bor-yo‘g‘i 32 ming gen bor, bu oqsillar sonidan bir necha barobar kam. Shu bilan birga, atigi 24000 protein kodlovchi genlar mavjud, qolgan genlarning mahsulotlari RNK molekulalaridir.

Turli shaxslar, etnik guruhlar va irqlar o'rtasidagi DNK nukleotidlari ketma-ketligidagi o'xshashlik ulushi 99,9% ni tashkil qiladi.

Bu o'xshashlik bizni inson qiladi - Homo sapiens! Nukleotid darajasidagi barcha o'zgaruvchanligimiz juda oddiy ko'rsatkichga to'g'ri keladi - 0,1%.

Shunday qilib, genetika milliy yoki irqiy ustunlik g'oyalariga o'rin qoldirmaydi.

Ammo keling, bir-birimizga qaraylik - biz hammamiz boshqachamiz. Milliy va undan ham ko'proq irqiy farqlar yanada sezilarli. Xo'sh, qancha mutatsiyalar odamning o'zgaruvchanligini foizda emas, balki mutlaq ko'rsatkichlarda aniqlaydi? Ushbu taxminni olish uchun siz genomning o'lchamini eslab qolishingiz kerak. Inson DNK molekulasining uzunligi

3,2x109 tayanch juftliklari. Buning 0,1% ni 3,2 million nukleotid tashkil etadi. Ammo esda tutingki, genomning kodlash qismi DNK molekulasining umumiy uzunligining 3% dan kamrog'ini egallaydi va bu hududdan tashqaridagi mutatsiyalar ko'pincha fenotipik o'zgaruvchanlikka ta'sir qilmaydi. Shunday qilib, fenotipga ta'sir qiluvchi mutatsiyalar sonining integral bahosini olish uchun biz 3,2 million nukleotidning 3 foizini olishimiz kerak, bu bizga 100 000 tartibli raqamni beradi.Ya'ni 100 mingga yaqin mutatsiyalar bizning fenotipikimizni tashkil qiladi. o'zgaruvchanlik. Agar bu ko'rsatkichni genlarning umumiy soni bilan solishtirsak, har bir genda o'rtacha 3-4 mutatsiya borligi ma'lum bo'ladi.

Bu mutatsiyalar nima? Ularning katta qismi (kamida 70%)

bizning individual patologik bo'lmagan o'zgaruvchanligimizni belgilaydi, bizni nimadan ajratib turadi, lekin bizni bir-birimizga nisbatan yomonlashtirmaydi. Bunga ko'z rangi, soch, teri, tana turi, bo'yi, vazni,

ko'p jihatdan genetik jihatdan aniqlangan xatti-harakatlar turi va boshqalar. Mutatsiyalarning taxminan 5% monogen kasalliklar bilan bog'liq. Qolgan mutatsiyalarning chorak qismi funktsional polimorfizmlar sinfiga tegishli. Ular keng tarqalgan multifaktorial patologiyaga irsiy moyillikni shakllantirishda ishtirok etadilar. Albatta, bu taxminlar juda qo'pol,

ammo ular insonning irsiy o'zgaruvchanligining tuzilishini hukm qilish imkonini beradi.

1.16-bob. Evolyutsiyaning molekulyar genetik asoslari

Mingyilliklarning oxirida yuzlab mikroorganizmlarning genomlari tuzilishini, shuningdek, protozoalarning ayrim turlarini dekodlash bilan yakunlangan molekulyar biologiya sohasidagi inqilob.

xamirturush, o'simliklar, hayvonlar va odamlar klassik genetikaning ko'plab an'anaviy g'oyalarini o'zgartirdi va evolyutsiya va turlanishning molekulyar mexanizmlarini o'rganish imkoniyatini juda yaqin qildi. Yangi fan tug'ildi - qiyosiy genomika,

alohida molekulalar darajasida sodir bo'ladigan evolyutsion muhim hodisalarning turli xil filogenetik chiziqlardagi ko'rinishini qayd etish imkonini beradi. Ma'lum bo'lishicha, umumiy holatda evolyutsion taraqqiyot nafaqat genlarning tarkibiy tuzilishining soni, darajasi va hatto murakkabligining oshishi bilan emas, balki ko'proq darajada tartibga solishning o'zgarishi bilan bog'liq. o'n minglab genlarning ifodalanishini muvofiqlashtirish va to'qimalarning o'ziga xosligini aniqlaydigan ularning ishlari. Bu, oxir-oqibat, yuqori organizmlarda tubdan yangi vazifalarni bajarishga qodir bo'lgan o'zaro ta'sir qiluvchi oqsillarning yanada murakkab, o'ziga xos, ko'p funktsiyali komplekslarining paydo bo'lishiga olib keldi.

Keling, evolyutsiya jarayonida sodir bo'ladigan o'zgarishlarning tabiatini uchta axborot darajasida ko'rib chiqaylik: DNK - RNK - oqsil yoki genom - transkriptom - proteom. Umuman olganda, hayotni tashkil etishning murakkabligi oshgani sayin, genomning hajmi oshadi, deb aytishimiz mumkin. Shunday qilib, prokariotlarning DNK hajmi 8x106 bp dan oshmaydi, u xamirturush va oddiy hayvonlarda ikki barobar, hasharotlarda 10-15 marta, sutemizuvchilarda esa o'sish 3 darajaga etadi, ya'ni ming marta (103) ).

Biroq, bu qaramlik chiziqli emas. Shunday qilib, sutemizuvchilar ichida biz endi genom hajmining sezilarli o'sishini kuzatmaymiz. Bundan tashqari, genomning kattaligi va hayotni tashkil etishning murakkabligi o'rtasidagi munosabatni har doim ham kuzatish mumkin emas. Shunday qilib, ba'zi o'simliklarda genom o'lchami odamlarnikidan kattaroq yoki hatto ikki marta kattaroqdir. Eslatib o'tamiz, eukariotlarning genom hajmining prokariotlarga nisbatan ortishi asosan kodlanmaydigan ketma-ketliklar, ya'ni ixtiyoriy elementlarning paydo bo'lishi bilan bog'liq. Biz allaqachon aytgan edikki, inson genomida ekzonlar 1-3% dan oshmaydi. Bu shuni anglatadiki, yuqori organizmlardagi genlar soni mikroorganizmlarga qaraganda bir necha baravar ko'p bo'lishi mumkin.

Eukaryotik tashkilotning ortib borayotgan murakkabligi qisman qo'shimcha tartibga solish tizimining paydo bo'lishi bilan izohlanadi.

gen ekspressiyasining to'qimalarga xosligini ta'minlash. Eukariotlarda paydo bo'lgan genlarning uzluksiz tashkil etilishining oqibatlaridan biri alternativ qo'shilish va alternativ transkripsiyaning keng tarqalganligi edi. Bu juda ko'p sonli genlarda yangi xususiyatning paydo bo'lishiga olib keldi - bir nechta funktsional ravishda turli xil protein izoformlarini kodlash qobiliyati. Shunday qilib, oqsillarning umumiy miqdori

ya'ni proteomaning o'lchami; yuqoriroqlarida genlar soni bir necha baravar ko'p bo'lishi mumkin.

Prokaryotlarda genlar sonining tur ichidagi o'zgaruvchanligiga yo'l qo'yiladi va

ko'p mikroorganizmlarning turli shtammlari o'rtasidagi o'xshash farqlar, in

patogenlar, shu jumladan, o'nlab foizni tashkil qilishi mumkin. Bundan tashqari, har xil turdagi mikroorganizmlarni tashkil qilishning murakkabligi kodlash ketma-ketliklarining soni va uzunligi bilan bevosita bog'liq.

Shunday qilib, fenotipik ichki va turlararo o'zgaruvchanlik juda o'xshash transkriptom va proteoma o'lchamlari bilan qattiq bog'liqdir. Eukariotlarda genlar soni qat'iy belgilangan tur xarakteristikasi bo'lib, evolyutsion murakkablikning ortishi boshqa printsipga asoslanadi - cheklangan va etarlicha barqaror proteomaning turli tarkibiy qismlaridan differentsial ko'p darajali foydalanish.

Nematodalar va Drosophila genomlarining ketma-ketligi shuni ko'rsatdiki, bu juda xilma-xil turlardagi proteomalarning o'lchamlari xamirturush va ba'zi bakteriyalar turlaridan ikki baravar kattaroqdir. Ushbu naqsh - turli xil hayot shakllarini tashkil qilish murakkabligining sezilarli darajada oshishi yoki proteoma hajmining nisbatan kichik o'sishi - odamlargacha bo'lgan barcha keyingi evolyutsiyalarga xosdir. Shunday qilib,

Odamlar va sichqonlarning proteomalari deyarli bir-biridan farq qilmaydi va o'lchamlari bo'yicha mikroskopik nematodali yumaloq qurt yoki meva pashshasi Drosophila proteomalaridan 2 baravar kattaroqdir. Bundan tashqari, inson DNKsining nukleotidlar ketma-ketligining identifikatori va

buyuk maymunlar 98,5% ni, kodlash hududlarida esa 99% ga etadi. Bu ko'rsatkichlar 99,9% qiymatidan ozgina farq qiladi,

sayyoramizda yashovchi turli shaxslar, xalqlar va irqlar o'rtasidagi DNK nukleotidlari ketma-ketligidagi intraspesifik o'xshashlikni aniqlash. Xo'sh, butun genomning 1,5% dan ko'p bo'lmagan qanday o'zgarishlar inson shakllanishining kalitidir? Bu savolga javob, aftidan, nafaqat genomik va proteomik darajada izlash kerak.

Haqiqatan ham, proteomaning nisbiy barqarorligi bilan birga, in

Evolyutsiya jarayonida genomda ko'p sonli transkripsiyalangan va kodlanmaydigan DNKning paydo bo'lishi, shuningdek, eukaryotik transkriptomaning tashkil etilishining hajmi va murakkabligi keskin o'sdi. RNK kodlovchi genlar sinfi. Asosiy manbai intronlar bo'lgan oqsillarni kodlamaydigan RNKlar,

yuqori organizmlar transkriptomiyasining katta qismini tashkil qiladi,

barcha transkripsiya birliklarining 97-98% ga etadi. Hozirgi vaqtda ushbu molekulalarning funktsiyalari intensiv ravishda tahlil qilinmoqda.

Shunday qilib, asosiy evolyutsion o'zgarishlar genom hajmining o'sishi, etarlicha barqaror proteoma va transkriptom hajmining keskin o'sishi fonida sodir bo'ladi - 2-rasm. 31.

Shakl 31. Uchta sodir bo'lgan evolyutsion o'zgarishlar

axborot darajalari Shu bilan birga, hayotning oddiy shakllaridan murakkabroq shakllarga o'tish aniq

genomda ikkita fundamental va ma'lum darajada o'zaro bog'liq bo'lgan evolyutsion yutuqlarning paydo bo'lishi va keng tarqalishi bilan bog'liq: kodlanmaydigan DNK va takrorlanuvchi elementlar. Genomik darajada sodir bo'lgan bu o'zgarishlarning bevosita natijasi evolyutsiya jarayonida juda ko'p miqdordagi protein kodlamaydigan RNKlarning paydo bo'lishidir.

Ushbu evolyutsion o'zgarishlarning strukturaviy asosi nima?

Barcha asosiy evolyutsion o'tishlar: prokariotlardan eukariotlarga, protozoalardan metazoalarga, birinchi hayvonlardan ikkilamchi hayvonlarga va ibtidoiy xordatlardan umurtqali hayvonlarga genom murakkabligining keskin oshishi bilan birga bo'ldi. Ko'rinib turibdiki, evolyutsiyadagi bunday sakrashlar bir-biridan ancha uzoqda bo'lgan tizimli sinflarga mansub turli turlarning butun genomlarining muvaffaqiyatli sintezining kamdan-kam holatlari natijasidir. Shunday qilib, arxeya va bakteriyalarning simbiozi prokariotlardan eukariotlarga o'tishning boshlanishini ko'rsatdi. Ko'rinib turibdiki, mitoxondriyalar, xloroplastlar va boshqa ba'zi hujayra organellalari ham endosimbioz natijasida paydo bo'lgan. Yuqori eukariotlarning asosiy xususiyati, diploidiya, taxminan 500 million yil oldin sodir bo'lgan yaxshi tartibga solingan genomik ko'payish natijasida paydo bo'lgan.

Bir tur ichida genomik ko'payishlar juda tez-tez sodir bo'lgan va

Bunga o'simliklardagi ko'plab poliploidiya holatlari misol bo'la oladi.

qo'ziqorinlar va hatto ba'zan hayvonlarda. Biroq, potentsial mexanizmlar

evolyutsiya jarayonida hayotning tubdan yangi shakllarining paydo bo'lishiga olib keladigan narsa avtopoliploidiya emas, balki gibridlanish va genomlarning gorizontal ko'chirilishi yoki sintezidir. Shunisi e'tiborga loyiqki, butun genomlarning birlashishi bilan birga keladigan eng muhim evolyutsion o'zgarishlar favqulodda sharoitlarda, katta geologik o'tishlar davrida, masalan, atmosferadagi kislorod kontsentratsiyasining o'zgarishi, Yerning muzlashi yoki Kembriy davrida sodir bo'ladi. Portlash.

Nisbatan tinch geologik sharoitda, alohida genlar yoki xromosoma segmentlarining takrorlanishi, ularning keyingi divergentsiyasi evolyutsiya uchun muhimroq bo'lib chiqadi. Ketma-ket genomlarning nukleotidlar ketma-ketligini taqqoslash shuni ko'rsatadiki, genlarning takrorlanish chastotasi ancha yuqori va o'rtacha million yilda bir gen uchun 0,01 ni tashkil qiladi. Ularning aksariyati keyingi bir necha million yil ichida o'zini namoyon qilmaydi va faqat kamdan-kam hollarda

Ba'zi hollarda takrorlangan genlar yangi adaptiv funktsiyalarga ega bo'lishi mumkin. Biroq, "jim" genlarning ko'payishining katta sinfi yangi genlarning tug'ilishi va yangi turlarning shakllanishi uchun o'ziga xos zaxira fondi bo'lib xizmat qiladi. Inson genomida mRNKning retropozitsiyasi natijasida paydo bo'lgan qayta ishlangan genlarning 10 dan 20 minggacha nusxalari mavjud.

Ularning aksariyati psevdogenlar sinfiga kiradi, ya'ni ular mutatsiyalar mavjudligi yoki genomning transkripsiyaviy faol bo'lmagan hududlariga qo'shilishi tufayli ifodalanmaydi. Biroq, bu genlarning ba'zilari faoldir va ularning ifodalanish tabiati va hatto funktsiyalari boshqacha bo'lishi mumkin,

asoschi genlarga qaraganda.

Ular primatlar va odamlar evolyutsiyasida alohida rol o'ynaydi. segmental dublikatsiyalar, past nusxa takrorlash (LCR) sinfiga mansub va

35 million yil oldin paydo bo'lgan. Bu ketma-ketliklar juda o'xshash DNK bloklari bo'lib, o'lchamlari birdan bir necha yuz kilobazagacha o'zgarib turadi. Ko'pincha segmental duplikatsiyalar turli xil xromosomalarning peritentromerik yoki telomerik mintaqalarida lokalizatsiya qilinadi va jami ular inson genomining taxminan 5% ni egallaydi.

Boshqa ketma-ket genomlarda segmental duplikatsiyalar topilmadi.

Duplikon deb ataladigan segmental duplikatsiyaning minimal moduli o'zaro bog'liq bo'lmagan qayta ishlanmagan genlarning bo'laklarini o'z ichiga oladi va

bu uni takroriy ketma-ketlikning boshqa ma'lum turlaridan ajratib turadi. Muayyan sharoitlarda duplikonlar yangi kimerik transkripsiyalangan genlarni yoki ularda mavjud bo'lgan turli xil kodlash eksonlarining kombinatsiyalaridan gen oilalarini yaratish uchun manba bo'lib xizmat qilishi mumkin. Taxminlarga ko'ra, 150 dan 350 gacha genlar shimpanze va inson genomlarini ajrata oladi.

Spetsifikatsiya uchun yangi kodlash ketma-ketliklarining paydo bo'lishi va eski kodlash ketma-ketliklarining yo'qolishi ahamiyatini kamaytirmasdan, biz boshqa mexanizmlar mavjudligining haqiqiy imkoniyatlarini ta'kidlashimiz kerak,

eukariotlar evolyutsiyasida hal qiluvchi rol o'ynaydi.

Evolyutsiyaning harakatlantiruvchi mexanizmlaridan biri bu borada o'rganilgan barcha turlarda uchraydigan harakatlanuvchi elementlardir.

Spetsifikatsiya jarayoni bilan birga keladigan genomik o'zgarishlar karyotiplarning keng ko'lamli qayta tashkil etilishi, mahalliy xromosomalarning qayta tuzilishi, gen oilalarining dublikatsiyasi, individual genlarning modifikatsiyasi,

ularning tug'ilishi yoki yo'qolishi, shuningdek, transkripsiya darajasida ham, qo'shilish yoki translatsiya darajasida ham tartibga solinadigan gen ekspressiyasidagi farqlar bilan birga keladi. Mobil elementlar bu jarayonlarning barchasi bilan bevosita bog'liq.

Ba'zi hollarda, transpozitsiyalanuvchi elementlarning o'zi DNK transpozitsiyasi yoki RNKning retropozitsiyasi uchun zarur bo'lgan fermentlarni kodlovchi ketma-ketlikni olib yuradi.

Shunga o'xshash ketma-ketliklar retroviruslar genomida mavjud, LTR-

elementlar va transpozonlar. Retrotranspozonlar, shuningdek, ko'chma elementlarning eng ko'p sinfini o'z ichiga oladi - Alu takrorlanadi. Birinchi marta Alu-

takrorlanishlar primatlarda taxminan 50-60 million yil avval kichik RNK kodlovchi gendan paydo bo'ladi. Keyingi evolyutsiya jarayonida bu oilaning divergentsiyasi va kuchli kuchayishi sodir bo'ladi. Primatlardan odamlarga o'tish sonining portlovchi o'sishi bilan birga keladi

Alu takrorlanadi, ularning nusxalari soni, ba'zi ma'lumotlarga ko'ra, yetadi

1,1 mln. Alu takrorlari inson genomining taxminan 10% ni egallaydi, ammo ularning tarqalishi notekis, chunki ular asosan genlar bilan bog'liq. Ushbu elementlar kodlovchi ekzonlarda kamdan-kam uchraydi va ko'pincha mRNKning intronlari va kodlanmagan hududlarida joylashgan bo'lib, bu molekulalarning barqarorligiga va/yoki tarjima samaradorligiga ta'sir qiladi. Genlarning intronik hududlarida Alu ketma-ketliklarining mavjudligi preRNKni qayta ishlash tabiatining o'zgarishi bilan birga bo'lishi mumkin, chunki bu ketma-ketliklar donor va akseptor qo'shilish joylariga homolog bo'lgan hududlarni o'z ichiga oladi. Alu elementlari genning tartibga soluvchi hududlariga kiritilganda, transkripsiya buzilishi mumkin, natijada

) meva chivinining genomida topilgan ( Drosophila ananassae) parazit bakteriya genomining to'liq nusxasi Wolbachia.

Wolbachia bakteriyasi xost hujayralarining sitoplazmasida yashaydi va xostlarining ko'payishi, rivojlanishi va hatto evolyutsiyasini nozik tartibga solishni o'rgangani bilan mashhur. Shuning uchun u ko'pincha "mikrob manipulyatori" yoki "chivinlarning xo'jayini" deb ataladi (chunki u hasharotlar hujayralarida yashaydi).

Tadqiqot JCVI xodimi Julie Dunning-Hotopp ba'zi Wolbachia genlari Drosophila genlari bilan bir xil genomning bir qismi kabi "hamkorlik qilishini" aniqlagandan so'ng boshlandi.

Rochester universiteti tadqiqotchisi Maykl Klark koloniyaga joylashdi Drosophila ananassae laboratoriyada Uorren bilan birgalikda sir nima ekanligini tushunish uchun.

Drosophila genomidagi Wolbachia geni (Rochester universitetidagi rasm).

“Bir necha oylar davomida men biror narsada noto'g'ri deb o'yladim, - deydi Klark.- Men hatto antibiotiklarga qarshilik paydo bo'lgan deb o'ylagandim, chunki men Volbachia genini qayta-qayta topdim. Nihoyat, bir necha oy oldin yolg'iz qoldirgan ro'molchalarni olib, Volbaxiyaning o'zini topolmadim.

Endi Uorren va Klark DNKning bunday katta qismini joylashtirishning Drozofila uchun qanday afzalligi borligini tushunishga harakat qilmoqdalar - ehtimol "begona" genlar uy egasiga yangi imkoniyatlarni beradi.

Shunday qilib, Wolbachia genlari uy egasining DNKsiga o'tadi (Nicolle Rager Fuller tomonidan tasvirlangan, Milliy fan).

Tadqiqot natijalari Science jurnalidagi maqolada chop etildi. Unda mualliflar bizning dunyomizdagi bakteriyalar va ko'p hujayrali organizmlar o'rtasida gorizontal gen almashinuvi (bir-biriga bog'liq bo'lmagan turlar o'rtasida genlarning ko'chishi) ilgari o'ylanganidan ko'ra tez-tez sodir bo'lishini taklif qilishadi.

Wolbachia tomonidan uy egalari bilan amalga oshirilgan manipulyatsiyaning molekulyar genetik mexanizmlarini dekodlash odamlarga tirik organizmlarga va umuman tabiatga ta'sir qilishning yangi kuchli vositalarini beradi.

Biroq, barcha hasharotlar Wolbachia ning yomon ta'siriga moyil emas. Misol uchun, Samoa orollaridan kelgan kapalaklar o'z erkaklarini himoya qilishni "o'rgandilar". Qiziq, bu bakteriya bilan yuqtirmoqchi bo'lgan bezgak chivinlari unga qarshi kurashishni o'rganadimi?