İnsan genomunun şifresini çözmek. Tıbbi genetik Drosophila genomunu deşifre ederken, bulundu
DNA'nın yapısının keşfinin 50. yıl dönümüne
AV Zelenin
BİTKİ GENOMU
A.V. Zelenin
Zelenin Alexander Vladimirovich- d.b.n.,
Moleküler Biyoloji Enstitüsü laboratuvar başkanı. V.A. Engelhardt RAS.
"İnsan Genomu" programının etkileyici başarılarının yanı sıra ekstra küçük (virüsler), küçük (bakteri, maya) ve orta (yuvarlak kurt, Drosophila) genomlarının deşifre edilmesi konusundaki çalışmaların başarısı, büyük ve ekstra büyük bitki genomlarının büyük ölçekli bir çalışmasına geçmek. Ekonomik açıdan en önemli bitkilerin genomlarının ayrıntılı bir şekilde incelenmesine yönelik acil ihtiyaç, 1997 yılında Amerika Birleşik Devletleri'nde yapılan bitki genomiği konulu bir toplantıda vurgulandı [ , ]. O zamandan bu yana geçen yıllar boyunca, bu alanda şüphesiz başarılar elde edildi. 2000 yılında, küçük hardal genomunun tam dizilimi (tüm nükleer DNA'nın doğrusal nükleotit dizisinin belirlenmesi) üzerine bir yayın çıktı - Arabidopsis, 2001'de - pirinç genomunun ön (taslak) dizilimi üzerine. Büyük ve süper büyük bitki genomlarının (mısır, çavdar, buğday) dizilenmesi üzerine çalışmalar defalarca rapor edildi, ancak bu raporlar belirli bilgiler içermiyor ve daha çok niyet beyanı niteliğindeydi.
Bitki genomlarının kodunun çözülmesinin bilim ve uygulama için geniş perspektifler açacağı varsayılmaktadır. Her şeyden önce, yeni genlerin tanımlanması ve bunların genetik düzenlemelerinin zinciri, biyoteknolojik yaklaşımların kullanılması yoluyla bitki verimliliğini önemli ölçüde artıracaktır. Bitki organizmasının üreme ve üretkenlik gibi önemli işlevlerinden sorumlu genlerin keşfi, izolasyonu, çoğaltılması (klonlama) ve dizilenmesi, değişkenlik süreçleri, olumsuz çevresel faktörlere karşı direnç ve ayrıca homolog kromozom çiftleşmesi ile ortaya çıkmıştır. üreme sürecini iyileştirmek için yeni fırsatlar ilişkilendirilir. Son olarak, izole edilmiş ve klonlanmış genler, temelde yeni özelliklere sahip transgenik bitkiler elde etmek ve gen aktivitesinin düzenleme mekanizmalarını analiz etmek için kullanılabilir.
Bitki genomlarının araştırılmasının önemi, şimdiye kadar lokalize, klonlanmış ve dizili bitki genlerinin sayısının az olması ve çeşitli tahminlere göre 800 ile 1200 arasında değişmesi gerçeğiyle de vurgulanmaktadır. örneğin insanlarda.
Japonya'da pirinç genomu üzerine yoğun çalışmalar yapılmasına rağmen, Birleşik Devletler bitki genomlarının geniş ölçekli çalışmasında şüphesiz lider olmaya devam etmektedir. son yıllar ve Çin'de. Arabidopsis genomunun deşifre edilmesinde, ABD laboratuvarlarına ek olarak, Avrupa araştırma grupları da aktif rol aldı. Amerika Birleşik Devletleri'nin görünürdeki liderliği, 2000 yılının sonlarında Fransa'da düzenlenen "Genom Sonrası Dönemde Genomik Beklentiler" başlıklı önemli bir toplantıda açıkça ifade ettikleri Avrupalı bilim adamlarının ciddi endişelerine neden oluyor. Avrupalı bilim adamlarına göre, Amerikan biliminin tarım bitkilerinin genomlarını inceleme ve transgenik bitki formları yaratma konusundaki ilerlemesi, nüfus artışının insanlığı genel bir tehditle karşı karşıya bırakacağı çok uzak olmayan bir gelecekte (iki ila elli yıl) tehdit ediyor. gıda krizi, Avrupa ekonomisi ve bilimi Amerikan teknolojisine bağımlı hale gelecek. Bu bağlamda, bitki genomlarının ("Plantgene") incelenmesi için bir Fransız-Alman bilimsel programının oluşturulduğu açıklandı ve buna önemli yatırımlar yapıldı.
Açıkçası, bitki genomiği sorunları, yalnızca bilimsel prestijle ilgili değil, aynı zamanda ülkenin ulusal güvenliği ile ilgili olduğu için, yönetim organlarının yanı sıra Rus bilim adamlarının ve bilim organizatörlerinin de yakın dikkatini çekmelidir. On ya da yirmi yıl içinde gıda en önemli stratejik kaynak haline gelecek.
BİTKİ GENOMLARINI ÇALIŞMADAKİ ZORLUKLAR
Bitki genomlarının incelenmesi, insan ve diğer hayvanların genomlarının incelenmesinden çok daha zor bir iştir. Bu, aşağıdaki durumlardan kaynaklanmaktadır:
büyük genom boyutları, belirli türler onlarca ve hatta yüz milyarlarca baz çiftli bitkiler (bp): ekonomik açıdan önemli ana bitkilerin (pirinç, keten ve pamuk hariç) genomları ya insan genomuna yakın ya da birçok kez daha büyüktür (tablo);GENOMLARIN KROMOZOMAL ÇALIŞMALARIFarklı bitkilerde kromozom sayısındaki keskin dalgalanmalar - bazı türlerde ikiden diğerlerinde birkaç yüze kadar ve genomun boyutu ile kromozom sayısı arasında kesin bir korelasyon belirlemek mümkün değildir;
Çok sayıda poliploid (hücre başına ikiden fazla genom içeren) benzer ancak aynı olmayan genomlarla (alpoliploidi) oluşur;
"Önemsiz" (kodlamayan, yani gen içermeyen) DNA'nın bitki genomlarının (% 99'a kadar) aşırı zenginleşmesi, bu da dizili parçaların ortak bir şekilde birleştirilmesini (doğru sırada düzenlenmesini) çok zorlaştırır. büyük boyutlu DNA bölgesi (contig);
Eksik (Drosophila, insan ve fare genomlarına kıyasla) kromozomların morfolojik, genetik ve fiziksel haritalanması;
İnsan ve hayvan kromozomları için genellikle bu amaçla kullanılan yöntemleri kullanarak (bir akışta sıralama ve hücre melezlerinin kullanımı) tek tek kromozomları saf biçimde izole etmenin pratik olarak imkansızlığı;
Hibridizasyon kullanarak tek tek genlerin kromozom haritalamasının (kromozom üzerindeki konumunun belirlenmesi) zorluğu yerinde hem bitki genomlarındaki yüksek "önemsiz" DNA içeriği hem de bitki kromozomlarının yapısal organizasyonunun özellikleri nedeniyle;
Bitki genomlarının incelenmesi için insan ve diğer hayvanların genomlarının dizilenmesiyle elde edilen bilgilerin kullanımını ciddi şekilde karmaşıklaştıran bitkilerin hayvanlardan evrimsel uzaklığı;
Çoğu bitkinin genetik analizlerini önemli ölçüde yavaşlatan uzun üreme süreci.
Genel olarak genomların ve özel olarak bitkilerin kromozomal (sitogenetik) çalışmaları, uzun Hikaye. "Genom" terimi, 20. yüzyılın ilk çeyreğinde, yani DNA'nın genetik bilgi taşıyıcısı olarak rolünün kurulmasından çok önce, içlerinde bulunan genlerle birlikte bir haploid (tek) kromozom setini belirtmek için önerildi. .
Yeni, daha önce genetik olarak çalışılmamış çok hücreli bir organizmanın genomunun tanımı, genellikle kromozomlarının (karyotip) tam setinin incelenmesi ve tanımlanmasıyla başlar. Bu, elbette, çok sayıda çalışmaya başlamamış olan bitkiler için de geçerlidir.
Daha kromozom çalışmalarının başlangıcında, ilgili bitki türlerinin genomları, türler arası hibritlerde mayotik konjugasyon (homolog kromozomların kombinasyonu) analizine dayalı olarak karşılaştırıldı. Son 100 yılda, kromozom analizi olanakları çarpıcı biçimde genişledi. Şimdi, bitki genomlarını karakterize etmek için daha ileri teknolojiler kullanılmaktadır: bireysel kromozomları morfolojik özelliklerle tanımlamayı mümkün kılan, diferansiyel boyamanın çeşitli varyantları; hibridizasyon yerinde kromozomlar üzerinde spesifik genlerin lokalize edilmesini mümkün kılmak; biyokimyasal araştırma hücresel proteinler (elektroforez ve immünokimya) ve son olarak, kromozomal DNA'nın dizilimine kadar analizine dayanan bir dizi yöntem.
Pirinç. bir. Tahıl karyotipleri a - çavdar (14 kromozom), b - makarnalık buğday (28 kromozom), c - yumuşak buğday (42 kromozom), d - arpa (14 kromozom)Başta buğday ve çavdar olmak üzere tahılların karyotipleri uzun yıllardır araştırılmaktadır. ilginç ki farklı şekiller bu bitkilerde kromozom sayısı farklıdır ama her zaman yedinin katıdır. Bireysel tahıl türleri, karyotipleri tarafından güvenilir bir şekilde tanınabilir. Örneğin, çavdar genomu, uçlarında genellikle segmentler veya bantlar olarak adlandırılan yoğun renkli heterokromatik bloklara sahip yedi çift büyük kromozomdan oluşur (Şekil 1a). Buğday genomları zaten 14 ve 21 çift kromozoma sahiptir (Şekil 1, b, c) ve bunlardaki heterokromatik blokların dağılımı çavdar kromozomlarındaki ile aynı değildir. A, B ve D olarak adlandırılan bireysel buğday genomları da birbirinden farklıdır.Kromozom sayısındaki 14'ten 21'e bir artış, buğdayın özelliklerinde, isimlerine yansıyan keskin bir değişikliğe yol açar: durum veya makarna, buğday ve yumuşak veya ekmek, buğday . Hamura çimlenme denilen şeyi veren glüten proteinleri için genler içeren D geni, yumuşak buğdayın yüksek pişirme özelliklerinin kazanılmasından sorumludur. Ekmeklik buğdayın seleksiyonun iyileştirilmesinde özel önem verilen bu genomdur. Başka bir 14 kromozomlu tahıl olan arpa (Şekil 1, d), genellikle ekmek yapmak için kullanılmaz, ancak bira ve viski gibi yaygın ürünlerin üretimi için ana hammaddedir.
Buğdayın yabani akrabaları Aegilops gibi en önemli tarımsal türlerin kalitesini artırmak için kullanılan bazı yabani bitkilerin kromozomları yoğun bir şekilde araştırılmaktadır. Çaprazlama (Şekil 2) ve seçim yoluyla yeni bitki formları oluşturulur. Son yıllarda, araştırma yöntemlerinde önemli bir gelişme, karyotiplerin özellikleri (esas olarak küçük kromozom boyutları) onları daha önce kromozom analizi için erişilemez hale getiren bitki genomları çalışmasına başlamayı mümkün kılmıştır. Böylece, pamuk, papatya ve ketenin tüm kromozomları ancak son zamanlarda ilk kez tanımlandı.
Pirinç. 2. Buğdayın karyotipleri ve Aegilops'lu bir buğday melezi
a - hekzaploid yumuşak buğday ( tritikum astivum), A, B ve O genomlarından oluşan; b - tetraploid buğday ( triticum timofeevi), A ve G genomlarından oluşur. çoğu buğday hastalığına karşı direnç genleri içerir; c - melezler tritikum astivum X triticum timofeevi külleme ve paslanmaya karşı dayanıklı, kromozomların bir kısmının değiştirilmesi açıkça görülebilirDNA'NIN BİRİNCİL YAPISI
Moleküler genetiğin gelişmesiyle, genom kavramı genişledi. Şimdi bu terim hem klasik kromozomal hem de modern moleküler anlamda yorumlanır: tek bir virüsün, hücrenin ve organizmanın tüm genetik materyali. Doğal olarak, bir dizi mikroorganizmanın ve insanın genomlarının (genellikle nükleik asit bazlarının tam lineer dizisi olarak adlandırılır) tam birincil yapısının incelenmesinin ardından, bitki genom dizilimi sorunu ortaya çıktı.
Birçok bitki organizmasından ikisi çalışma için seçildi - dikotlar sınıfını temsil eden Arabidopsis (genom boyutu 125 milyon bp) ve monokotlar sınıfından pirinç (420-470 milyon bp). Bu genomlar, diğer bitki genomlarına kıyasla küçüktür ve nispeten az sayıda tekrarlayan DNA segmenti içerir. Bu tür özellikler, seçilen genomların, birincil yapılarının nispeten hızlı bir şekilde belirlenmesi için uygun olacağı umudunu verdi.
Pirinç. 3. Arabidopsis - küçük hardal - turpgiller familyasından küçük bir bitki ( Brassicaceae). Dergimizin bir sayfasına eşit bir alanda, bin kadar bireysel Arabidopsis organizması yetiştirebilirsiniz.Arabidopsis'in seçilmesinin nedeni sadece genomunun küçük boyutu değil, aynı zamanda organizmanın laboratuvarda büyütülmesini kolaylaştıran küçük boyutuydu (Şekil 3). Kısa üreme döngüsünü dikkate aldık, bu sayede çaprazlama ve seçim, ayrıntılı olarak incelenen genetik, değişen yetiştirme koşullarıyla (toprağın tuz bileşimini değiştirmek, çeşitli besinler eklemek, vb.) .) ve çeşitli mutajenik faktörlerin ve patojenlerin (virüsler, bakteriler, mantarlar) bitkiler üzerindeki etkisinin test edilmesi. Arabidopsis'in hiçbir ekonomik değeri yoktur, bu nedenle, fare genomuyla birlikte genomuna referans veya daha az doğru bir şekilde model deniyordu.*
* "Model genom" teriminin Rus literatüründe ortaya çıkması, İngilizce deyim model genomunun yanlış bir çevirisinin sonucudur. "Model" kelimesi sadece "model" sıfatını değil, aynı zamanda "örnek", "standart", "model" isimlerini de ifade eder. Örnek genomdan veya referans genomdan bahsetmek daha doğru olur.Arabidopsis genom dizilimi üzerine yoğun çalışma 1996 yılında ABD, Japonya, Belçika, İtalya, Büyük Britanya ve Almanya'dan bilimsel kurumları ve araştırma gruplarını içeren uluslararası bir konsorsiyum tarafından başlatıldı. Aralık 2000'de, Arabidopsis genomunun birincil yapısının belirlenmesini özetleyen kapsamlı bilgiler elde edildi. Sıralama için klasik veya hiyerarşik teknoloji kullanıldı: ilk olarak, daha büyük bölümlerin (contig) oluşturulduğu genomun tek tek küçük bölümleri ve son aşamada tek tek kromozomların yapısı incelendi. Arabidopsis genomunun nükleer DNA'sı beş kromozom üzerine dağılmıştır. 1999 yılında, iki kromozomun dizilenmesinin sonuçları yayınlandı ve basında kalan üçünün birincil yapısı hakkındaki bilgilerin ortaya çıkması, tüm genomun dizilimini tamamladı.
125 milyon baz çiftinden, tüm genomun %92'sini oluşturan 119 milyonun birincil yapısı belirlendi. Büyük tekrarlayan DNA segmentleri blokları içeren Arabidopsis genomunun sadece %8'inin çalışma için erişilemez olduğu ortaya çıktı. Ökaryotik genom dizilemesinin eksiksizliği ve eksiksizliği açısından Arabidopsis, tek hücreli bir maya organizmasıyla birlikte ilk üç şampiyonda kalır. Saccharomyces cerevisiae ve çok hücreli organizma Caenorhabditis zarafeti(tabloya bakınız).
Arabidopsis genomunda yaklaşık 15.000 bireysel protein kodlayan gen bulunmuştur. Bunların yaklaşık 12.000'i haploid (tek) genom başına iki kopya olarak bulunur, böylece toplam sayısı gen sayısı 27 bin. Arabidopsis'teki gen sayısı, insan ve fare gibi organizmalardaki gen sayısından çok farklı değil, ancak genomunun boyutu 25-30 kat daha küçük. Bu durum, bireysel Arabidopsis genlerinin yapısındaki önemli özellikler ve genomunun genel yapısı ile ilişkilidir.
Arabidopsis genleri, kısa (yaklaşık 250 bp) kodlamayan DNA segmentleri (intronlar) ile ayrılmış sadece birkaç ekzon (protein kodlayan bölgeler) içeren kompakttır. Bireysel genler arasındaki aralıklar ortalama 4600 baz çiftidir. Karşılaştırma için, insan genlerinin onlarca, hatta yüzlerce ekzon ve intron içerdiğine ve intergenik bölgelerin 10 bin baz çifti veya daha fazla boyuta sahip olduğuna dikkat çekiyoruz. Küçük bir kompakt genomun varlığının, Arabidopsis'in evrimsel stabilitesine katkıda bulunduğu varsayılmaktadır, çünkü onun DNA'sı çeşitli zararlı ajanlar için daha az ölçüde, özellikle virüs benzeri tekrarlayan DNA parçalarının (transpozonlar) girişi için bir hedef haline gelmiştir. genomun içine.
Arabidopsis genomunun diğer moleküler özellikleri arasında, hayvan genleriyle karşılaştırıldığında ekzonların guanin ve sitozin (eksonlarda %44 ve intronlarda %32) bakımından zengin olduğu ve ayrıca iki kez tekrarlanan (duplike) genlerin varlığına dikkat edilmelidir. Böyle bir ikiye katlanmanın, Arabidopsis genlerinin bir bölümünün ikilenmesinden (tekrarlanmasından) veya ilgili genomların füzyonundan oluşan dört eşzamanlı olayın bir sonucu olarak meydana geldiği varsayılmaktadır. 100-200 milyon yıl önce meydana gelen bu olaylar, bitki genomlarının karakteristiği olan poliploidizasyona (bir organizmadaki genom sayısında çoklu artış) yönelik genel eğilimin bir tezahürüdür. Bununla birlikte, bazı gerçekler, Arabidopsis'teki kopyalanmış genlerin aynı olmadığını ve farklı işlev gördüklerini göstermektedir, bu da düzenleyici bölgelerindeki mutasyonlarla ilişkilendirilebilir.
Pirinç, eksiksiz DNA dizilemesinin başka bir nesnesi haline geldi. Bu bitkinin genomu da küçüktür (toplam 420-470 milyon bp veren 12 kromozom), Arabidopsis'inkinden sadece 3.5 kat daha büyüktür. Bununla birlikte, Arabidopsis'ten farklı olarak pirinç, insanlığın yarısından fazlası için beslenmenin temeli olan büyük ekonomik öneme sahiptir, bu nedenle sadece milyarlarca tüketici değil, aynı zamanda çok zahmetli sürecine aktif olarak katılan milyonlarca güçlü insan ordusu. yetiştirme, özelliklerini geliştirmekle hayati bir şekilde ilgilenmektedir.
Bazı araştırmacılar pirinç genomunu daha 1980'lerde incelemeye başladılar, ancak bu çalışmalar ancak 1990'larda ciddi bir ölçeğe ulaştı. 1991 yılında Japonya'da pirinç genomunun yapısını deşifre etmek için birçok araştırma grubunun çabalarını bir araya getiren bir program oluşturuldu. 1997 yılında bu program temelinde Uluslararası Pirinç Genom Projesi düzenlendi. Katılımcılar, çabalarını pirincin alt türlerinden birini sıralamaya yoğunlaştırmaya karar verdiler ( Oriza sativajaponica), o zamana kadar önemli ilerleme kaydedilmiş olan çalışmada. Ciddi bir uyarıcı ve mecazi anlamda, böyle bir çalışma için yol gösterici bir yıldız, "İnsan Genomu" programıydı.
Bu program çerçevesinde, uluslararası konsorsiyum katılımcılarının pirinç genomunu deşifre etmek için kullandıkları genomun "kromozomal" hiyerarşik bölünmesi stratejisi test edildi. Bununla birlikte, insan genomunun çalışmasında, bireysel kromozomların fraksiyonları çeşitli yöntemler kullanılarak izole edildiyse, o zaman bireysel pirinç kromozomlarına ve bunların bireysel bölgelerine özgü materyal, lazer mikrodisseksiyonla (mikroskobik nesneleri keserek) elde edildi. Pirinç kromozomlarının bulunduğu bir mikroskop lamı üzerinde, bir lazer ışınının etkisi altında, kromozom veya analiz için planlanan bölümleri dışında her şey yanar. Kalan malzeme klonlama ve dizileme için kullanılır.
Hiyerarşik teknolojinin özelliği olan yüksek doğruluk ve ayrıntıyla yürütülen pirinç genomunun tek tek parçalarının dizilenmesinin sonuçları hakkında çok sayıda rapor yayınlanmıştır. Pirinç genomunun tam birincil yapısının belirlenmesinin 2003 yılı sonu ile 2004 ortası arasında tamamlanacağına ve sonuçların, Arabidopsis genomunun birincil yapısına ilişkin verilerle birlikte karşılaştırmalı çalışmalarda yaygın olarak kullanılacağına inanılıyordu. diğer bitkilerin genomikleri.
Bununla birlikte, 2002'nin başlarında, biri Çin'den, diğeri İsviçre'den ve Amerika Birleşik Devletleri'nden iki araştırma grubu, toplam klonlama teknolojisi kullanılarak gerçekleştirilen pirinç genomunun tam bir taslak (yaklaşık) dizilemesinin sonuçlarını yayınladı. Aşamalı (hiyerarşik) çalışmanın aksine, toplam yaklaşım, viral veya bakteriyel vektörlerden birinde tüm genomik DNA'nın eşzamanlı klonlanmasına ve çeşitli içeren önemli (orta ve büyük genomlar için çok büyük) sayıda bireysel klon elde edilmesine dayanır. DNA segmentleri. Bu dizili bölümlerin analizine ve DNA'nın özdeş terminal bölümlerinin üst üste binmesine dayanarak, bir bitişik oluşur - bir araya getirilen bir DNA dizileri zinciri. Genel (toplam) contig, tüm genomun veya en azından tek bir kromozomun birincil yapısıdır.
Böyle bir şematik sunumda, toplam klonlama stratejisi basit görünüyor. Aslında, çok sayıda klon elde etme ihtiyacı (genel olarak incelenen genomun veya bölgesinin klonlarla en az 10 kez örtüşmesi gerektiği kabul edilir), büyük miktarda dizileme ve aşırı karmaşıklık ile ilişkili ciddi zorluklarla karşılaşır. biyoinformatik uzmanlarının katılımını gerektiren yerleştirme klonları üzerinde çalışmak. Toplam klonlamanın önündeki ciddi bir engel, daha önce bahsedildiği gibi, genomun boyutu arttıkça sayısı keskin bir şekilde artan çeşitli tekrarlayan DNA segmentleridir. Bu nedenle, toplam dizileme stratejisi, çok hücreli bir organizma olan Drosophila'nın genomunu incelemek için başarıyla kullanılmış olmasına rağmen, esas olarak virüslerin ve mikroorganizmaların genomlarının incelenmesinde kullanılır.
Bu genomun toplam dizilemesinin sonuçları, kromozomal, gen ve moleküler yapısı hakkında Drosophila'nın neredeyse 100 yıllık bir çalışma süresi boyunca elde edilen çok sayıda bilgi üzerine "üst üste bindirildi". Yine de, dizileme derecesi açısından, Drosophila genomu (toplam genom boyutunun %66'sı), oldukça yakın boyutlarına rağmen (sırasıyla 180 milyon ve 125 milyon baz çifti) Arabidopsis genomundan (%92) önemli ölçüde daha düşüktür. . Bu nedenle, yakın zamanda Drosophila genomunu dizilemek için kullanılan karma teknolojiyi adlandırmak önerilmiştir.
Yukarıda bahsedilen araştırma grupları, pirincin genomunu sıralamak için, Asya ülkelerinde en yaygın olarak yetiştirilen iki alt türünü aldı. Oriza tükürük L. ssp indicaj ve Oriza tükürük L. sspjaponica.Çalışmalarının sonuçları birçok açıdan örtüşüyor, ancak birçok açıdan farklılık gösteriyor. Böylece her iki grubun temsilcileri, kontiglerle genom örtüşmesinin yaklaşık %92-93'üne ulaştıklarını belirtmişlerdir. Pirinç genomunun yaklaşık %42'sinin 20 baz çiftinden oluşan kısa DNA tekrarlarıyla temsil edildiği ve hareketli DNA elemanlarının (transpozonlar) çoğunun intergenik bölgelerde yer aldığı gösterilmiştir. Bununla birlikte, pirinç genomunun boyutuna ilişkin veriler önemli ölçüde farklılık göstermektedir.
Japon alt türleri için genom büyüklüğü 466 milyon baz çifti, Hint alt türleri için ise 420 milyon baz çifti olarak belirlenmiştir.Bu farklılığın nedeni açık değildir. Genomların kodlanmayan kısmının boyutunu belirlemede farklı metodolojik yaklaşımların bir sonucu olabilir, yani gerçek durumu yansıtmaz. Ancak incelenen genomların boyutunda %15'lik bir fark olması mümkündür.
İkinci büyük farklılık, bulunan gen sayısında ortaya çıktı: Japon alt türleri için genom başına 46.022 ila 55.615 gen ve Hint alt türleri için 32.000 ila 50.000 gen. Bu farklılığın nedeni açık değil.
Alınan bilgilerin eksikliği ve tutarsızlığı, yayınlanan yazılara yapılan yorumlarda belirtilmiştir. "Kaba dizileme" verileri ile Uluslararası Pirinç Genom Projesi katılımcıları tarafından yürütülen ayrıntılı, hiyerarşik dizilemenin sonuçları karşılaştırılarak pirinç genomu hakkındaki bilgi boşluklarının ortadan kaldırılacağı umudu da burada ifade edilmektedir.
KARŞILAŞTIRMALI VE FONKSİYONEL BİTKİ GENOMİĞİ
Yarısı (Çin grubunun sonuçları) kamuya açık olan elde edilen kapsamlı veriler, şüphesiz hem pirinç genomu hem de genel olarak bitki genomiği çalışmaları için geniş beklentiler yaratıyor. Arabidopsis ve pirinç genomlarının özelliklerinin karşılaştırılması, Arabidopsis genomunda tanımlanan genlerin çoğunun (%80'e kadar) pirinç genomunda da bulunduğunu gösterdi, ancak pirinçte bulunan genlerin yaklaşık yarısı için analoglar (ortologlar) ) henüz Arabidopsis genomunda bulunmamıştır. . Aynı zamanda diğer tahıllar için birincil yapısı belirlenen genlerin %98'i pirinç genomunda bulundu.
Pirinç ve Arabidopsis'teki gen sayısı arasındaki önemli (neredeyse iki kat) farklılık şaşırtıcıdır. Aynı zamanda, toplam sıralama kullanılarak elde edilen pirinç genomunun taslak kod çözme verileri, hiyerarşik klonlama ve sıralama yöntemiyle pirinç genomunun çalışmasının kapsamlı sonuçlarıyla pratik olarak karşılaştırılmaz. Drosophila genomu ile ilgili olarak yapılmamıştır. Bu nedenle, Arabidopsis ve pirinçteki gen sayısındaki farklılığın gerçek durumu yansıtıp yansıtmadığı veya metodolojik yaklaşımlardaki farklılıkla açıklanıp açıklanmadığı belirsizliğini koruyor.
Arabidopsis genomunun aksine, pirinç genomundaki ikiz genlere ilişkin veriler verilmemiştir. Pirinçte nispi miktarlarının Arabidopsis'e göre daha yüksek olması mümkündür. Bu olasılık, pirincin poliploid formlarının varlığına ilişkin verilerle dolaylı olarak desteklenmektedir. Uluslararası Pirinç Genom Projesi tamamlandıktan ve bu genomun birincil DNA yapısının ayrıntılı bir resmi elde edildikten sonra bu konuda daha fazla netlik beklenebilir. Pirinç genomunun kaba dizilimi ile ilgili çalışmaların yayınlanmasından sonra, bu genomun yapısı hakkındaki yayınların sayısının keskin bir şekilde artması, özellikle ayrıntılı dizileme hakkında bilgilerin ortaya çıkması, böyle bir umut için ciddi temeller sağlar. 1 ve 4 kromozomludur.
Bitkilerdeki genlerin sayısının en azından yaklaşık olarak bilinmesi, karşılaştırmalı bitki genomiği için temel öneme sahiptir. Başlangıçta tüm çiçekli bitkilerin fenotipik özellikleri açısından birbirine çok yakın olması nedeniyle genomlarının da benzer olması gerektiğine inanılıyordu. Arabidopsis'in genomunu incelersek, diğer bitkilerin genomlarının çoğu hakkında bilgi sahibi oluruz. Bu varsayımın dolaylı bir teyidi, şaşırtıcı bir şekilde insan genomuna yakın olan fare genomunun (sadece 1 bininin farklı olduğu ortaya çıkan yaklaşık 30 bin gen) dizilenmesinin sonuçlarıdır.
Arabidopsis ve pirinç genomları arasındaki farklılıkların nedeninin, farklı bitki sınıflarına - dikotlar ve monokotlar - ait oldukları varsayılabilir. Bu konuyu açıklığa kavuşturmak için, diğer bazı monokotiledonlu bitkilerin en azından kaba bir birincil yapısının bilinmesi oldukça arzu edilir. En gerçekçi aday, genomu yaklaşık olarak insan genomuna eşit olan ancak yine de diğer tahılların genomlarından çok daha küçük olan mısır olabilir. Mısırın besin değeri iyi bilinmektedir.
Arabidopsis ve pirincin genomlarının dizilenmesinin bir sonucu olarak elde edilen geniş materyal, karşılaştırmalı genomik kullanan bitki genomlarının büyük ölçekli bir çalışmasının yavaş yavaş temeli haline geliyor. Bu tür çalışmalar genel biyolojik öneme sahiptir, çünkü bir bütün olarak bitki genomunun organizasyonunun ana ilkelerini ve bireysel kromozomlarını belirlememize izin verirler. ortak özellikler genlerin yapısı ve düzenleyici bölgeleri, kromozomun fonksiyonel olarak aktif (gen) kısmının ve proteinleri kodlamayan çeşitli intergenik DNA bölgelerinin oranını dikkate almak. Karşılaştırmalı genetik, insan fonksiyonel genomiğinin gelişimi için de giderek daha önemli hale geliyor. Kirpi balığı ve fare genomlarının dizilenmesinin gerçekleştirildiği karşılaştırmalı çalışmalar içindir.
Aynı derecede önemli olan, belirli vücut fonksiyonlarını belirleyen bireysel proteinlerin sentezinden sorumlu bireysel genlerin incelenmesidir. İnsan Genomu programının pratik, öncelikle tıbbi önemi, bireysel genlerin işlevinin keşfinde, izolasyonunda, dizilişinde ve belirlenmesinde yatmaktadır. Bu durum, "İnsan Genomu" programının ancak tüm insan genlerinin işlevleri belirlendiğinde tamamlanacağını vurgulayan J. Watson tarafından birkaç yıl önce belirtilmişti.
Pirinç. dört. Arabidopsis genlerinin işlevine göre sınıflandırma
1 - büyüme, bölünme ve DNA sentezi için genler; 2 - RNA sentez genleri (transkripsiyon); 3 - proteinlerin sentezi ve modifikasyonu için genler; 4 - gelişme, yaşlanma ve hücre ölümü için genler; 5 - hücre metabolizması ve enerji metabolizmasının genleri; 6 - hücreler arası etkileşim ve sinyal iletimi genleri; 7 - diğer hücresel süreçleri sağlamak için genler; 8 - işlevi bilinmeyen genlerBitki genlerinin işlevine gelince, insan genleri hakkında bildiklerimizin onda birinden daha azını biliyoruz. Genomu insan genomundan çok daha fazla çalışılan Arabidopsis'te bile, genlerinin neredeyse yarısının işlevi bilinmemektedir (Şekil 4). Bu arada, hayvanlarda ortak olan genlere ek olarak, bitkilerde sadece kendilerine özgü (veya en azından ağırlıklı olarak) önemli sayıda gen bulunur. Hakkında hayvanlarda bulunmayan suyun taşınması ve hücre duvarının sentezi ile ilgili genler, kloroplastların oluşumunu ve işleyişini sağlayan genler, fotosentez, azot fiksasyonu ve çok sayıda aromatik ürünün sentezi hakkında. Bu listeye devam edilebilir, ancak bitkilerin işlevsel genomiklerinin ne kadar zor bir görevle karşı karşıya olduğu zaten açıktır.
Tüm genom dizilimi, belirli bir organizmadaki toplam gen sayısı hakkında doğruya yakın bilgi sağlar, yapıları hakkında az çok ayrıntılı ve güvenilir bilgilerin veri bankalarına yerleştirilmesini mümkün kılar ve bireysel genlerin izole edilmesi ve çalışılması işini kolaylaştırır. Bununla birlikte, genom dizilimi hiçbir şekilde tüm genlerin işlevini belirlemek anlamına gelmez.
Fonksiyonel genomiğin en umut verici yaklaşımlarından biri, mRNA'nın transkripsiyonu (okunması) için kullanılan çalışan genlerin tanımlanmasına dayanmaktadır. Bu yaklaşım, dahil modern teknoloji mikrodiziler, on binlerce işlevsel geni aynı anda tanımlamanıza olanak tanır. Son zamanlarda, bu yaklaşımı kullanarak, bitki genomlarının çalışması başlamıştır. Arabidopsis için, neredeyse tüm genlerinin işlevini belirleme olasılığını büyük ölçüde kolaylaştıran yaklaşık 26 bin bireysel transkript elde etmek mümkün oldu. Patateslerde, hem büyüme ve yumru oluşumu süreçlerini hem de patates hastalığı süreçlerini anlamak için önemli olan yaklaşık 20.000 çalışan gen tanımlamak mümkündü. Bu bilginin en önemli gıda ürünlerinden birinin patojenlere karşı direncini artıracağı varsayılmaktadır.
Fonksiyonel genomiğin mantıksal gelişimi proteomikti. Bu yeni bilim alanı, genellikle belirli bir anda bir hücredeki eksiksiz protein seti olarak anlaşılan proteomu inceler. Genomun işlevsel durumunu yansıtan böyle bir protein seti, genom değişmeden kalırken her zaman değişir.
Proteinlerin incelenmesi, bitki genomlarının aktivitesini değerlendirmek için uzun süredir kullanılmaktadır. Bilindiği gibi, tüm bitkilerde bulunan enzimler, amino asitlerin dizilişinde bireysel tür ve çeşitlere göre farklılık gösterir. Aynı işleve sahip, ancak farklı bir amino asit dizisine sahip bu tür enzimlere izoenzimler denir. Kromatografi veya elektroforez kullanılarak tespit edilebilen farklı fizikokimyasal ve immünolojik özelliklere (moleküler ağırlık, yük) sahiptirler. Uzun yıllar boyunca, bu yöntemler, genetik polimorfizmi, yani organizmalar, çeşitler, popülasyonlar, türler, özellikle buğday ve ilgili tahıl formları arasındaki farklılıkları incelemek için başarıyla kullanılmıştır. Ancak son zamanlarda, dizileme de dahil olmak üzere DNA analiz yöntemlerinin hızla gelişmesi nedeniyle, protein polimorfizmi araştırması yerini DNA polimorfizmi çalışmasına bırakmıştır. Bununla birlikte, tahılların temel beslenme özelliklerini belirleyen depo proteinlerinin (prolaminler, gliadinler, vb.) spektrumlarının doğrudan incelenmesi, tarımsal bitkilerin genetik analizi, seçimi ve tohum üretimi için önemli ve güvenilir bir yöntem olmaya devam etmektedir.
Genlerin bilgisi, ekspresyon ve düzenleme mekanizmaları, biyoteknolojinin gelişimi ve transgenik bitkilerin üretimi için son derece önemlidir. Bu alandaki etkileyici başarıların çevre ve tıp camiasında belirsiz bir tepkiye neden olduğu bilinmektedir. Bununla birlikte, bu korkuların tamamen temelsiz olmasa da, her durumda çok az önemli göründüğü bir bitki biyoteknolojisi alanı vardır. Gıda ürünü olarak kullanılmayan transgenik endüstriyel bitkilerin oluşturulmasından bahsediyoruz. Hindistan kısa süre önce bir dizi hastalığa dirençli ilk transgenik pamuğu hasat etti. Pigment proteinlerini kodlayan özel genlerin pamuk genomuna dahil edilmesi ve suni boyama gerektirmeyen pamuk liflerinin üretimi hakkında bilgiler var. Etkili genetik mühendisliğinin konusu olabilecek bir diğer endüstriyel ürün ise ketendir. Son zamanlarda tekstil hammaddelerinde pamuğa alternatif olarak kullanımı tartışılmaktadır. Bu sorun kendi ham pamuk kaynaklarını kaybetmiş olan ülkemiz için son derece önemlidir.
BİTKİ GENOMLARINI ÇALIŞMAK İÇİN BEKLENTİLER
Açıkçası, bitki genomlarının yapısal çalışmaları, ana materyal olarak Arabidopsis ve pirincin genomlarının deşifre edilmesinin sonuçlarını kullanarak karşılaştırmalı genomik yaklaşımlarına ve yöntemlerine dayanacaktır. Karşılaştırmalı bitki genomiğinin gelişmesinde kuşkusuz önemli bir rol, diğer bitkilerin genomlarının toplam (kaba) dizilenmesiyle er ya da geç sağlanacak bilgiler tarafından oynanacaktır. Bu durumda karşılaştırmalı bitki genomiği, bireysel lokuslar ile farklı genomlara ait kromozomlar arasındaki genetik ilişkilerin kurulmasına dayanacaktır. Bireysel kromozom lokuslarının seçici genomikleri kadar bitkilerin genel genomiklerine odaklanmayacağız. Örneğin, son zamanlarda vernalizasyondan sorumlu genin, hekzaploid buğday kromozomu 5A'nın VRn-AI lokusunda ve pirinç kromozomu 3'ün Hd-6 lokusunda yer aldığı gösterilmiştir.
Bu çalışmaların geliştirilmesi, işlevsel olarak önemli birçok bitki geninin, özellikle hastalık direncinden, kuraklığa dayanıklılıktan ve çeşitli yetiştirme koşullarına uyumdan sorumlu genlerin tanımlanması, izolasyonu ve dizilenmesi için güçlü bir itici güç olacaktır. Bitkilerde işlev gören genlerin kütle saptamasına (taramasına) dayalı olarak giderek artan bir şekilde fonksiyonel genomik kullanılacaktır.
Mikrodiseksiyon yöntemi başta olmak üzere kromozom teknolojilerinin daha da geliştirilmesini öngörebiliriz. Kullanımı, örneğin toplam genom dizilimi gibi büyük maliyetler gerektirmeden genomik araştırma olanaklarını önemli ölçüde genişletir. Hibridizasyon yardımı ile bireysel genlerin bitkilerinin kromozomları üzerinde lokalizasyon yöntemi daha da yayılacaktır. yerinde.Şu anda kullanımı, bitki genomundaki çok sayıda tekrarlayan diziyle ve muhtemelen bitki kromozomlarının yapısal organizasyonunun özellikleriyle sınırlıdır.
Kromozom teknolojileri, yakın gelecekte bitkilerin evrimsel genomikleri için büyük önem kazanacaktır. Bu nispeten ucuz teknolojiler, tür içi ve türler arası değişkenliği hızlı bir şekilde değerlendirmeyi, tetraploid ve hekzaploid buğday, tritikalenin karmaşık allopoliploid genomlarını incelemeyi; evrimsel süreçleri kromozomal düzeyde analiz eder; sentetik genomların oluşumunu ve yabancı genetik materyalin girişini (introgresyonunu) araştırmak; bireysel kromozomlar arasındaki genetik ilişkileri tanımlamak Çeşitli türler.
Moleküler biyolojik analiz ve bilgisayar teknolojisi ile zenginleştirilmiş klasik sitogenetik yöntemler kullanılarak bitki karyotipinin incelenmesi, genomu karakterize etmek için kullanılacaktır. Bu, yalnızca bireysel organizmalar düzeyinde değil, aynı zamanda popülasyonlar, çeşitler ve türler düzeyinde karyotipin stabilitesini ve değişkenliğini incelemek için özellikle önemlidir. Son olarak, farklı boyama yöntemleri kullanılmadan kromozomal yeniden düzenlemelerin (aberasyonlar, köprüler) sayısının ve spektrumunun nasıl tahmin edilebileceğini hayal etmek zordur. Bu tür çalışmalar, çevreyi bitki genomunun durumuna göre izlemek için son derece umut vericidir.
AT modern Rusya bitki genomlarının doğrudan dizilenmesi olası değildir. Büyük yatırımlar gerektiren bu tür işler, mevcut ekonomimizin gücünü aşmaktadır. Bu arada, dünya bilimi tarafından elde edilen ve uluslararası veri bankalarında bulunan Arabidopsis ve pirinç genomlarının yapısına ilişkin veriler, yerli bitki genomiğinin geliştirilmesi için yeterlidir. Büyük ekonomik öneme sahip çeşitli bitki türlerinin kökenini incelemek kadar, yetiştirme ve mahsul üretiminin belirli sorunlarını çözmek için karşılaştırmalı genomik yaklaşımlara dayanan bitki genomu çalışmalarının genişletilmesi öngörülebilir.
Bütçemize oldukça uygun olan genetik tiplendirme (RELF, RAPD, AFLP analizleri vb.) gibi genomik yaklaşımların yerli ıslah uygulamalarında ve bitkisel üretimde yaygın olarak kullanılacağı varsayılabilir. DNA polimorfizminin belirlenmesine yönelik doğrudan yöntemlere paralel olarak, başta tahılların depo proteinleri olmak üzere protein polimorfizminin araştırılmasına dayalı yaklaşımlar, genetik ve bitki ıslahı sorunlarının çözümünde kullanılacaktır. Kromozomal teknolojiler yaygın olarak kullanılacaktır. Nispeten ucuzdurlar, geliştirmeleri oldukça ılımlı yatırımlar gerektirir. Kromozom çalışmaları alanında, yerli bilim dünyadan daha aşağı değildir.
Bilimimizin bitki genomiğinin oluşumuna ve gelişimine önemli katkılarda bulunduğu vurgulanmalıdır [ , ].
Temel rol N.I. Vavilov (1887-1943).
Moleküler biyoloji ve bitki genomiğinde, A.N. Belozersky (1905-1972).
Kromozom çalışmaları alanında, seçkin genetikçi S.G.'nin çalışmalarına dikkat etmek gerekir. Bitkilerde uydu kromozomlarını ilk keşfeden ve morfolojilerinin özelliklerine göre tek tek kromozomları ayırt etmenin mümkün olduğunu kanıtlayan Navashin (1857-1930).
Başka bir klasik Rus bilimi G.A. Levitsky (1878-1942) çavdar, buğday, arpa, bezelye ve şeker pancarının kromozomlarını ayrıntılı olarak tanımlamış, "karyotip" terimini bilime sokmuş ve bunun doktrinini geliştirmiştir.
Dünya biliminin başarılarına dayanan modern uzmanlar, bitki genetiği ve genomiklerinin daha da gelişmesine önemli katkılarda bulunabilirler.
Yazar, Akademisyen Yu.P.'ye en içten teşekkürlerini sunar. Altukhov'a makalenin eleştirel tartışması ve değerli tavsiyeleri için teşekkür ederiz.Makalenin yazarı tarafından yönetilen ekibin çalışmaları, Rusya Temel Araştırma Vakfı tarafından desteklendi (hibe no. 99-04-48832; 00-04-49036; 00-04-81086), Rusya Federasyonu bilimsel okulların (00-115-97833 ve NSh-1794.2003.4 numaralı hibeler) ve Programın desteklenmesi için Rus Akademisi Bilimler "Modern ıslah ve tohum üretim yöntemlerinin geliştirilmesinde moleküler genetik ve kromozomal belirteçler".
EDEBİYAT
1. Zelenin A.V., Badaeva E.D., Muravenko O.V. Bitki genomiğine giriş // Moleküler biyoloji. 2001. V. 35. S. 339-348. 2. Kalem E. Bitki Genomiği için Bonanza // Bilim. 1998. V. 282. S. 652-654. 3. Bitki genomiği, Proc. Natl. Acad. bilim AMERİKA BİRLEŞİK DEVLETLERİ. 1998. V. 95. S. 1962-2032. 4. Kartel NA ve benzeri. Genetik. Ansiklopedik Sözlük. Minsk: Teknoloji, 1999. 5. Badaeva E.D., Friebe B., Gill B.S. 1996. Aegilops'ta genom farklılaşması. 1. Son derece tekrarlayan DNA dizilerinin diploid türlerin kromozomları üzerinde dağılımı, Genom. 1996. V. 39. S. 293-306. Kromozom analizinin tarihçesi // Biol. membranlar. 2001. T. 18. S. 164-172.
05/09/2011 saat 09:36'da Limarev şunları söyledi:
Limarev V.N.
İnsan genomunun şifresini çözmek.
L.G.'nin kitabından bir bölüm. Puchko: "İnsanın radikal bilgisi"
Genomun deşifre edilmesi sorunlarını çözmek için milyarlarca dolarlık bir bütçeyle uluslararası "İnsan Genomu" projesi düzenlendi.
2000 yılına gelindiğinde, insan genomunun haritası neredeyse tamamlanmıştı. Genler sayıldı, belirlendi ve veri tabanlarına kaydedildi. Bunlar çok büyük miktarda bilgidir.
İnsan genomunu sayısallaştırılmış biçimde kaydetmek, 100 gigabayt kapasiteli 3.000 sabit sürücüye eşdeğer olan yaklaşık 300 terabayt bilgisayar belleği gerektirir.
Ortaya çıktı. Bir insanda sanıldığı gibi yüzbinlerce değil, 30 binden biraz fazla gen bulunur. Sineğin Drosophila'sı var, bunların sadece yarısı var - yaklaşık 13 bin ve fare neredeyse bir insanla aynı sayıya sahip. Deşifre edilmiş genomda insanlara özgü genler sadece %1 civarındadır. DNA sarmalının çoğu, ortaya çıktığı gibi, genler tarafından değil, genlerin basitçe kodlanmadığı sözde “boş bölümler” ve birbiri ardına tekrar eden çift fragmanlar, anlam ve anlam tarafından işgal edilir. hangisi belirsiz.
Tek kelimeyle, genlerin yaşamın tuğlaları bile olmadığı, yalnızca organizmanın yapısının inşa edildiği planın unsurları olduğu ortaya çıktı. Tuğlalar, genetiğin en parlak döneminden önce inanılan diğer şeylerde olduğu gibi, proteinlerdir.
İnsanlara özgü genlerin %1'inde, insanları farelerden ayıran bu kadar büyük miktarda bilginin kodlanamayacağı kesin olarak ortaya çıktı. Tüm bilgiler nerede saklanıyor? Birçok bilim adamı için, İlahi ilke olmadan insanın doğasını açıklamanın imkansız olduğu şüphesiz bir gerçek haline geliyor. Bazı bilim adamları, insan vücudu hakkındaki mevcut fikirler çerçevesinde, insan genomunu deşifre etmenin temelde imkansız olduğunu öne sürüyorlar.
Dünya bilinmiyor - bilinebilir (makale hakkındaki yorumlarım).
1) Parçayı düşünün: “İlahi ilke olmadan, insanın doğasını açıklamak imkansızdır.”
Yukarıdaki bilgiler bu konuda hiçbir şey söylemez.
Genom gerçekten de önceden düşünülenden daha karmaşık bir yapıya sahiptir.
Ama sonuçta yazıda bahsedilen bilgisayar sadece hafıza hücrelerinden oluşmuyor.
Bir bilgisayarın iki belleği vardır: uzun süreli ve operasyonel ve ayrıca bilgilerin işlendiği bir işlemci. Bilginin işlenmesine ve elektromanyetik alana katılır. Genomun bilgisini deşifre etmek için, sadece bilginin depolanmasını değil, aynı zamanda işlenmesini de nasıl olduğunu anlamak gerekir. Ayrıca bilgilerin bir kısmının depolandığı fikrini de kabul ediyorum. elektromanyetik alan. Ve ayrıca, daha önce yazdığım gibi, bir kişinin dışında, Yüksek Aklın özel bilgi merkezlerinde.
Mors kodunda 0 veya 1 ikili kodunda kodlanmış sürekli bir metin düşünün, hangi dilde (İngilizce veya Fransızca ....) yazıldığını bilmiyorsunuz ve bu sürekli metnin kelimelerden oluştuğunu bilmiyorsunuz. , cümleler, paragraflar, bölümler, ciltler, raflar, dolaplar vb.
Biyolojide hemen hemen aynı, burada sadece her şey dört basamaklı bir kodla kodlanmış ve şimdiye kadar + - / * temel genlerin sırasını deşifre ettik, ancak dili bilmiyoruz ve buna göre kelimeler, cümleler, paragraflar, bölümler, ciltler, raflar, dolaplar vb. Bizim için deşifre edilmiş genom hala 4 tahıllı bir kodun sağlam bir metnidir ve hepsini kafa kafaya incelemek neredeyse imkansızdır.
Ancak belirli zamanlarda (hem bir bireyde hem de onun nesiller grubunda ve bir türde, cinste), bazı genlerin ve bunların komplekslerinin (kelimelerden, cümlelerden, paragraflardan, bölümlerden, ciltlerden, raflardan, dolaplardan vb. sorumlu) olduğu ortaya çıktı. ) aktif ) ve diğer evrim dönemlerinde pasiftirler, ki bunu dolaylı olarak çeşitli poligenik özelliklerle belirledim (bu, Evrensel Periyodik Evrim Yasası konusunda gösterilmiştir).
Şimdiye kadar, genleri incelemek için sadece iki yöntem vardır, bu bir numunedeki genlerin (DNA) toplamının basit bir laboratuvar hesabıdır ve proteinler tarafından üretilen RNA miktarını sayan bir cihaz vardır. üretilen elektronik çipte sıkışmış ancak her an çok büyük miktarda DNA aktif olduğundan ve buna bağlı olarak RNA aracılığıyla çok sayıda farklı protein üretildiğinden, “kaşık, çatal ve Japon yemek çubuklarıyla bu erişteyi” ayırmak çok zordur. Bu çorba ve aradığınızı bulmak çok zor - belirli bir DNA (bir DNA kompleksi olarak) ve bunun poligenik bir özellik üzerindeki etkisi arasındaki nedensel ilişkileri bulmak.
Görünen o ki, poligenik bir özelliğin derecesini belirleyen DNA, RNA ve proteinlerinin bütün bu çorbasını nasıl ayıracağıma dair basit bir yöntem buldum.
Görünüşe göre, bir bireyin evrim sırasına göre her poligenik özellik (nesil grupları, türler ve cinsler) periyodiktir, bu nedenle RNA ve DNA aktivitesinde periyodik olmaları gerekir ve bu nedenle sadece (ilk önce) bulmak gerekir. genetik ayrıntılara girme) poligenik bir özellikteki (bir bireyde, bir nesiller topluluğunda, bir türde, bir cinste...) metrik değişim ile bu periyotlarla orantılı, RNA'nın, DNA'nın karşılık gelen aktivitesi arasındaki korelasyon.
) meyve sineğinin genomunda bulunur ( Drosophila ananassae) parazit bakteri genomunun tam bir kopyası Wolbachia.
Wolbachia bakterisi, konakçı hücrelerin sitoplazmasında yaşar ve konakçılarının üremesini, gelişimini ve hatta evrimini hassas bir şekilde düzenlemeyi öğrendiği bilinmektedir. Bu nedenle, genellikle "mikrop manipülatörü" veya "sineklerin efendisi" olarak adlandırılır (böcek hücrelerinde yaşadığı için).
Çalışma, JCVI'dan Julie Dunning-Hotopp'un belirli Wolbachia genlerinin Drosophila genleriyle aynı genomun parçasıymış gibi nasıl "işbirliği" yaptığını keşfetmesiyle başladı.
Michael Clark - Rochester Üniversitesi'nde araştırmacı - koloniye yerleşti Drosophila ananassae Warren ile sırrı çözmek için laboratuvarda.
Drosophila genomundaki Wolbachia geni (Rochester Üniversitesi tarafından gösterilmiştir).
"Birkaç ay boyunca bir konuda yanıldığımı düşündüm" diyor Clarke, "Her Wolbachia genini tekrar tekrar bulduğum için antibiyotik direncinin geliştiğini bile önerdim. Birkaç ay önce yalnız bıraktığım dokuları nihayet aldığımda Wolbachia'nın kendisini bulamadım.
Şimdi Warren ve Clarke, Drosophila için bu kadar büyük bir DNA parçası eklemenin avantajının ne olduğunu anlamaya çalışıyorlar - belki de "yabancı" genler, ev sahibine bazı yeni fırsatlar sağlıyor.
Ve böylece Wolbachia genleri konağın DNA'sına geçer (illüstrasyon Nicolle Rager Fuller, National Science).
Araştırmanın sonuçları Science dergisinde yayınlanan bir makalede yayınlandı. İçinde yazarlar, yatay gen transferinin (ilgisiz türler arasındaki genlerin transferi), dünyamızdaki bakteriler ve çok hücreli organizmalar arasında önceden düşünülenden çok daha sık gerçekleştiğini öne sürüyorlar.
Wolbachia'nın ev sahipleriyle gerçekleştirdiği manipülasyonların moleküler genetik mekanizmalarını deşifre etmek, insana canlı organizmaları ve bir bütün olarak doğayı etkilemek için güçlü yeni araçlar verecektir.
Bununla birlikte, tüm böcekler Wolbachia'nın kötü etkisine tabi değildir. Örneğin, Samoa Adaları'ndaki kelebekler erkeklerini korumayı "öğrendiler". Acaba bu bakteriyi bulaştırmak istedikleri sıtma sivrisinekleri onunla savaşmayı öğrenecekler mi?
DNA'nın yapısının keşfinin 50. yıl dönümüne
AV Zelenin
BİTKİ GENOMU
A.V. Zelenin
Zelenin Alexander Vladimirovich- d.b.n.,
Moleküler Biyoloji Enstitüsü laboratuvar başkanı. V.A. Engelhardt RAS.
"İnsan Genomu" programının etkileyici başarılarının yanı sıra ekstra küçük (virüsler), küçük (bakteri, maya) ve orta (yuvarlak kurt, Drosophila) genomlarının deşifre edilmesi konusundaki çalışmaların başarısı, büyük ve ekstra büyük bitki genomlarının büyük ölçekli bir çalışmasına geçmek. Ekonomik açıdan en önemli bitkilerin genomlarının ayrıntılı bir şekilde incelenmesine yönelik acil ihtiyaç, 1997 yılında Amerika Birleşik Devletleri'nde yapılan bitki genomiği konulu bir toplantıda vurgulandı [ , ]. O zamandan bu yana geçen yıllar boyunca, bu alanda şüphesiz başarılar elde edildi. 2000 yılında, küçük hardal genomunun tam dizilimi (tüm nükleer DNA'nın doğrusal nükleotit dizisinin belirlenmesi) üzerine bir yayın çıktı - Arabidopsis, 2001'de - pirinç genomunun ön (taslak) dizilimi üzerine. Büyük ve süper büyük bitki genomlarının (mısır, çavdar, buğday) dizilenmesi üzerine çalışmalar defalarca rapor edildi, ancak bu raporlar belirli bilgiler içermiyor ve daha çok niyet beyanı niteliğindeydi.
Bitki genomlarının kodunun çözülmesinin bilim ve uygulama için geniş perspektifler açacağı varsayılmaktadır. Her şeyden önce, yeni genlerin tanımlanması ve bunların genetik düzenlemelerinin zinciri, biyoteknolojik yaklaşımların kullanılması yoluyla bitki verimliliğini önemli ölçüde artıracaktır. Bitki organizmasının üreme ve üretkenlik gibi önemli işlevlerinden sorumlu genlerin keşfi, izolasyonu, çoğaltılması (klonlama) ve dizilenmesi, değişkenlik süreçleri, olumsuz çevresel faktörlere karşı direnç ve ayrıca homolog kromozom çiftleşmesi ile ortaya çıkmıştır. üreme sürecini iyileştirmek için yeni fırsatlar ilişkilendirilir. Son olarak, izole edilmiş ve klonlanmış genler, temelde yeni özelliklere sahip transgenik bitkiler elde etmek ve gen aktivitesinin düzenleme mekanizmalarını analiz etmek için kullanılabilir.
Bitki genomlarının araştırılmasının önemi, şimdiye kadar lokalize, klonlanmış ve dizili bitki genlerinin sayısının az olması ve çeşitli tahminlere göre 800 ile 1200 arasında değişmesi gerçeğiyle de vurgulanmaktadır. örneğin insanlarda.
Japonya'da ve son yıllarda Çin'de pirinç genomu üzerine yoğun çalışmalar yapılmasına rağmen, Birleşik Devletler bitki genomlarının geniş ölçekli çalışmasında şüphesiz lider olmaya devam etmektedir. Arabidopsis genomunun deşifre edilmesinde, ABD laboratuvarlarına ek olarak, Avrupa araştırma grupları da aktif rol aldı. Amerika Birleşik Devletleri'nin görünürdeki liderliği, 2000 yılının sonlarında Fransa'da düzenlenen "Genom Sonrası Dönemde Genomik Beklentiler" başlıklı önemli bir toplantıda açıkça ifade ettikleri Avrupalı bilim adamlarının ciddi endişelerine neden oluyor. Avrupalı bilim adamlarına göre, Amerikan biliminin tarım bitkilerinin genomlarını inceleme ve transgenik bitki formları yaratma konusundaki ilerlemesi, nüfus artışının insanlığı genel bir tehditle karşı karşıya bırakacağı çok uzak olmayan bir gelecekte (iki ila elli yıl) tehdit ediyor. gıda krizi, Avrupa ekonomisi ve bilimi Amerikan teknolojisine bağımlı hale gelecek. Bu bağlamda, bitki genomlarının ("Plantgene") incelenmesi için bir Fransız-Alman bilimsel programının oluşturulduğu açıklandı ve buna önemli yatırımlar yapıldı.
Açıkçası, bitki genomiği sorunları, yalnızca bilimsel prestijle ilgili değil, aynı zamanda ülkenin ulusal güvenliği ile ilgili olduğu için, yönetim organlarının yanı sıra Rus bilim adamlarının ve bilim organizatörlerinin de yakın dikkatini çekmelidir. On ya da yirmi yıl içinde gıda en önemli stratejik kaynak haline gelecek.
BİTKİ GENOMLARINI ÇALIŞMADAKİ ZORLUKLAR
Bitki genomlarının incelenmesi, insan ve diğer hayvanların genomlarının incelenmesinden çok daha zor bir iştir. Bu, aşağıdaki durumlardan kaynaklanmaktadır:
bireysel bitki türleri için onlarca ve hatta yüz milyarlarca baz çiftine (bp) ulaşan devasa genom boyutları: ekonomik açıdan önemli ana bitkilerin (pirinç, keten ve pamuk hariç) genomları ya insan genomuna yakındır ya da birçok kez aş (tablo);GENOMLARIN KROMOZOMAL ÇALIŞMALARIFarklı bitkilerde kromozom sayısındaki keskin dalgalanmalar - bazı türlerde ikiden diğerlerinde birkaç yüze kadar ve genomun boyutu ile kromozom sayısı arasında kesin bir korelasyon belirlemek mümkün değildir;
Çok sayıda poliploid (hücre başına ikiden fazla genom içeren) benzer ancak aynı olmayan genomlarla (alpoliploidi) oluşur;
"Önemsiz" (kodlamayan, yani gen içermeyen) DNA'nın bitki genomlarının (% 99'a kadar) aşırı zenginleşmesi, bu da dizili parçaların ortak bir şekilde birleştirilmesini (doğru sırada düzenlenmesini) çok zorlaştırır. büyük boyutlu DNA bölgesi (contig);
Eksik (Drosophila, insan ve fare genomlarına kıyasla) kromozomların morfolojik, genetik ve fiziksel haritalanması;
İnsan ve hayvan kromozomları için genellikle bu amaçla kullanılan yöntemleri kullanarak (bir akışta sıralama ve hücre melezlerinin kullanımı) tek tek kromozomları saf biçimde izole etmenin pratik olarak imkansızlığı;
Hibridizasyon kullanarak tek tek genlerin kromozom haritalamasının (kromozom üzerindeki konumunun belirlenmesi) zorluğu yerinde hem bitki genomlarındaki yüksek "önemsiz" DNA içeriği hem de bitki kromozomlarının yapısal organizasyonunun özellikleri nedeniyle;
Bitki genomlarının incelenmesi için insan ve diğer hayvanların genomlarının dizilenmesiyle elde edilen bilgilerin kullanımını ciddi şekilde karmaşıklaştıran bitkilerin hayvanlardan evrimsel uzaklığı;
Çoğu bitkinin genetik analizlerini önemli ölçüde yavaşlatan uzun üreme süreci.
Genel olarak genomların ve özel olarak bitkilerin kromozomal (sitogenetik) çalışmaları uzun bir geçmişe sahiptir. "Genom" terimi, 20. yüzyılın ilk çeyreğinde, yani DNA'nın genetik bilgi taşıyıcısı olarak rolünün kurulmasından çok önce, içlerinde bulunan genlerle birlikte bir haploid (tek) kromozom setini belirtmek için önerildi. .
Yeni, daha önce genetik olarak çalışılmamış çok hücreli bir organizmanın genomunun tanımı, genellikle kromozomlarının (karyotip) tam setinin incelenmesi ve tanımlanmasıyla başlar. Bu, elbette, çok sayıda çalışmaya başlamamış olan bitkiler için de geçerlidir.
Daha kromozom çalışmalarının başlangıcında, ilgili bitki türlerinin genomları, türler arası hibritlerde mayotik konjugasyon (homolog kromozomların kombinasyonu) analizine dayalı olarak karşılaştırıldı. Son 100 yılda, kromozom analizi olanakları çarpıcı biçimde genişledi. Şimdi, bitki genomlarını karakterize etmek için daha ileri teknolojiler kullanılmaktadır: bireysel kromozomları morfolojik özelliklerle tanımlamayı mümkün kılan, diferansiyel boyamanın çeşitli varyantları; hibridizasyon yerinde kromozomlar üzerinde spesifik genlerin lokalize edilmesini mümkün kılmak; hücresel proteinlerin biyokimyasal çalışmaları (elektroforez ve immünokimya) ve son olarak, kromozomal DNA'nın dizilimine kadar analizine dayanan bir dizi yöntem.
Pirinç. bir. Tahıl karyotipleri a - çavdar (14 kromozom), b - makarnalık buğday (28 kromozom), c - yumuşak buğday (42 kromozom), d - arpa (14 kromozom)Başta buğday ve çavdar olmak üzere tahılların karyotipleri uzun yıllardır araştırılmaktadır. İlginç bir şekilde, bu bitkilerin farklı türlerinde kromozom sayısı farklıdır, ancak her zaman yedinin katıdır. Bireysel tahıl türleri, karyotipleri tarafından güvenilir bir şekilde tanınabilir. Örneğin, çavdar genomu, uçlarında genellikle segmentler veya bantlar olarak adlandırılan yoğun renkli heterokromatik bloklara sahip yedi çift büyük kromozomdan oluşur (Şekil 1a). Buğday genomları zaten 14 ve 21 çift kromozoma sahiptir (Şekil 1, b, c) ve bunlardaki heterokromatik blokların dağılımı çavdar kromozomlarındaki ile aynı değildir. A, B ve D olarak adlandırılan bireysel buğday genomları da birbirinden farklıdır.Kromozom sayısındaki 14'ten 21'e bir artış, buğdayın özelliklerinde, isimlerine yansıyan keskin bir değişikliğe yol açar: durum veya makarna, buğday ve yumuşak veya ekmek, buğday . Hamura çimlenme denilen şeyi veren glüten proteinleri için genler içeren D geni, yumuşak buğdayın yüksek pişirme özelliklerinin kazanılmasından sorumludur. Ekmeklik buğdayın seleksiyonun iyileştirilmesinde özel önem verilen bu genomdur. Başka bir 14 kromozomlu tahıl olan arpa (Şekil 1, d), genellikle ekmek yapmak için kullanılmaz, ancak bira ve viski gibi yaygın ürünlerin üretimi için ana hammaddedir.
Buğdayın yabani akrabaları Aegilops gibi en önemli tarımsal türlerin kalitesini artırmak için kullanılan bazı yabani bitkilerin kromozomları yoğun bir şekilde araştırılmaktadır. Çaprazlama (Şekil 2) ve seçim yoluyla yeni bitki formları oluşturulur. Son yıllarda, araştırma yöntemlerinde önemli bir gelişme, karyotiplerin özellikleri (esas olarak küçük kromozom boyutları) onları daha önce kromozom analizi için erişilemez hale getiren bitki genomları çalışmasına başlamayı mümkün kılmıştır. Böylece, pamuk, papatya ve ketenin tüm kromozomları ancak son zamanlarda ilk kez tanımlandı.
Pirinç. 2. Buğdayın karyotipleri ve Aegilops'lu bir buğday melezi
a - hekzaploid yumuşak buğday ( tritikum astivum), A, B ve O genomlarından oluşan; b - tetraploid buğday ( triticum timofeevi), A ve G genomlarından oluşur. çoğu buğday hastalığına karşı direnç genleri içerir; c - melezler tritikum astivum X triticum timofeevi külleme ve paslanmaya karşı dayanıklı, kromozomların bir kısmının değiştirilmesi açıkça görülebilirDNA'NIN BİRİNCİL YAPISI
Moleküler genetiğin gelişmesiyle, genom kavramı genişledi. Şimdi bu terim hem klasik kromozomal hem de modern moleküler anlamda yorumlanır: tek bir virüsün, hücrenin ve organizmanın tüm genetik materyali. Doğal olarak, bir dizi mikroorganizmanın ve insanın genomlarının (genellikle nükleik asit bazlarının tam lineer dizisi olarak adlandırılır) tam birincil yapısının incelenmesinin ardından, bitki genom dizilimi sorunu ortaya çıktı.
Birçok bitki organizmasından ikisi çalışma için seçildi - dikotlar sınıfını temsil eden Arabidopsis (genom boyutu 125 milyon bp) ve monokotlar sınıfından pirinç (420-470 milyon bp). Bu genomlar, diğer bitki genomlarına kıyasla küçüktür ve nispeten az sayıda tekrarlayan DNA segmenti içerir. Bu tür özellikler, seçilen genomların, birincil yapılarının nispeten hızlı bir şekilde belirlenmesi için uygun olacağı umudunu verdi.
Pirinç. 3. Arabidopsis - küçük hardal - turpgiller familyasından küçük bir bitki ( Brassicaceae). Dergimizin bir sayfasına eşit bir alanda, bin kadar bireysel Arabidopsis organizması yetiştirebilirsiniz.Arabidopsis'in seçilmesinin nedeni sadece genomunun küçük boyutu değil, aynı zamanda organizmanın laboratuvarda büyütülmesini kolaylaştıran küçük boyutuydu (Şekil 3). Kısa üreme döngüsünü dikkate aldık, bu sayede çaprazlama ve seçim, ayrıntılı olarak incelenen genetik, değişen yetiştirme koşullarıyla (toprağın tuz bileşimini değiştirmek, çeşitli besinler eklemek, vb.) .) ve çeşitli mutajenik faktörlerin ve patojenlerin (virüsler, bakteriler, mantarlar) bitkiler üzerindeki etkisinin test edilmesi. Arabidopsis'in hiçbir ekonomik değeri yoktur, bu nedenle, fare genomuyla birlikte genomuna referans veya daha az doğru bir şekilde model deniyordu.*
* "Model genom" teriminin Rus literatüründe ortaya çıkması, İngilizce deyim model genomunun yanlış bir çevirisinin sonucudur. "Model" kelimesi sadece "model" sıfatını değil, aynı zamanda "örnek", "standart", "model" isimlerini de ifade eder. Örnek genomdan veya referans genomdan bahsetmek daha doğru olur.Arabidopsis genom dizilimi üzerine yoğun çalışma 1996 yılında ABD, Japonya, Belçika, İtalya, Büyük Britanya ve Almanya'dan bilimsel kurumları ve araştırma gruplarını içeren uluslararası bir konsorsiyum tarafından başlatıldı. Aralık 2000'de, Arabidopsis genomunun birincil yapısının belirlenmesini özetleyen kapsamlı bilgiler elde edildi. Sıralama için klasik veya hiyerarşik teknoloji kullanıldı: ilk olarak, daha büyük bölümlerin (contig) oluşturulduğu genomun tek tek küçük bölümleri ve son aşamada tek tek kromozomların yapısı incelendi. Arabidopsis genomunun nükleer DNA'sı beş kromozom üzerine dağılmıştır. 1999 yılında, iki kromozomun dizilenmesinin sonuçları yayınlandı ve basında kalan üçünün birincil yapısı hakkındaki bilgilerin ortaya çıkması, tüm genomun dizilimini tamamladı.
125 milyon baz çiftinden, tüm genomun %92'sini oluşturan 119 milyonun birincil yapısı belirlendi. Büyük tekrarlayan DNA segmentleri blokları içeren Arabidopsis genomunun sadece %8'inin çalışma için erişilemez olduğu ortaya çıktı. Ökaryotik genom dizilemesinin eksiksizliği ve eksiksizliği açısından Arabidopsis, tek hücreli bir maya organizmasıyla birlikte ilk üç şampiyonda kalır. Saccharomyces cerevisiae ve çok hücreli organizma Caenorhabditis zarafeti(tabloya bakınız).
Arabidopsis genomunda yaklaşık 15.000 bireysel protein kodlayan gen bulunmuştur. Bunların yaklaşık 12.000'i haploid (tek) genom başına iki kopya olarak bulunur, böylece toplam gen sayısı 27.000'dir.Arabidopsis'teki gen sayısı, insan ve fare gibi organizmalardaki gen sayısından çok farklı değildir, ancak genomunun boyutu 25-30 kat daha az. Bu durum, bireysel Arabidopsis genlerinin yapısındaki önemli özellikler ve genomunun genel yapısı ile ilişkilidir.
Arabidopsis genleri, kısa (yaklaşık 250 bp) kodlamayan DNA segmentleri (intronlar) ile ayrılmış sadece birkaç ekzon (protein kodlayan bölgeler) içeren kompakttır. Bireysel genler arasındaki aralıklar ortalama 4600 baz çiftidir. Karşılaştırma için, insan genlerinin onlarca, hatta yüzlerce ekzon ve intron içerdiğine ve intergenik bölgelerin 10 bin baz çifti veya daha fazla boyuta sahip olduğuna dikkat çekiyoruz. Küçük bir kompakt genomun varlığının, Arabidopsis'in evrimsel stabilitesine katkıda bulunduğu varsayılmaktadır, çünkü onun DNA'sı çeşitli zararlı ajanlar için daha az ölçüde, özellikle virüs benzeri tekrarlayan DNA parçalarının (transpozonlar) girişi için bir hedef haline gelmiştir. genomun içine.
Arabidopsis genomunun diğer moleküler özellikleri arasında, hayvan genleriyle karşılaştırıldığında ekzonların guanin ve sitozin (eksonlarda %44 ve intronlarda %32) bakımından zengin olduğu ve ayrıca iki kez tekrarlanan (duplike) genlerin varlığına dikkat edilmelidir. Böyle bir ikiye katlanmanın, Arabidopsis genlerinin bir bölümünün ikilenmesinden (tekrarlanmasından) veya ilgili genomların füzyonundan oluşan dört eşzamanlı olayın bir sonucu olarak meydana geldiği varsayılmaktadır. 100-200 milyon yıl önce meydana gelen bu olaylar, bitki genomlarının karakteristiği olan poliploidizasyona (bir organizmadaki genom sayısında çoklu artış) yönelik genel eğilimin bir tezahürüdür. Bununla birlikte, bazı gerçekler, Arabidopsis'teki kopyalanmış genlerin aynı olmadığını ve farklı işlev gördüklerini göstermektedir, bu da düzenleyici bölgelerindeki mutasyonlarla ilişkilendirilebilir.
Pirinç, eksiksiz DNA dizilemesinin başka bir nesnesi haline geldi. Bu bitkinin genomu da küçüktür (toplam 420-470 milyon bp veren 12 kromozom), Arabidopsis'inkinden sadece 3.5 kat daha büyüktür. Bununla birlikte, Arabidopsis'ten farklı olarak pirinç, insanlığın yarısından fazlası için beslenmenin temeli olan büyük ekonomik öneme sahiptir, bu nedenle sadece milyarlarca tüketici değil, aynı zamanda çok zahmetli sürecine aktif olarak katılan milyonlarca güçlü insan ordusu. yetiştirme, özelliklerini geliştirmekle hayati bir şekilde ilgilenmektedir.
Bazı araştırmacılar pirinç genomunu daha 1980'lerde incelemeye başladılar, ancak bu çalışmalar ancak 1990'larda ciddi bir ölçeğe ulaştı. 1991 yılında Japonya'da pirinç genomunun yapısını deşifre etmek için birçok araştırma grubunun çabalarını bir araya getiren bir program oluşturuldu. 1997 yılında bu program temelinde Uluslararası Pirinç Genom Projesi düzenlendi. Katılımcılar, çabalarını pirincin alt türlerinden birini sıralamaya yoğunlaştırmaya karar verdiler ( Oriza sativajaponica), o zamana kadar önemli ilerleme kaydedilmiş olan çalışmada. Ciddi bir uyarıcı ve mecazi anlamda, böyle bir çalışma için yol gösterici bir yıldız, "İnsan Genomu" programıydı.
Bu program çerçevesinde, uluslararası konsorsiyum katılımcılarının pirinç genomunu deşifre etmek için kullandıkları genomun "kromozomal" hiyerarşik bölünmesi stratejisi test edildi. Bununla birlikte, insan genomunun çalışmasında, bireysel kromozomların fraksiyonları çeşitli yöntemler kullanılarak izole edildiyse, o zaman bireysel pirinç kromozomlarına ve bunların bireysel bölgelerine özgü materyal, lazer mikrodisseksiyonla (mikroskobik nesneleri keserek) elde edildi. Pirinç kromozomlarının bulunduğu bir mikroskop lamı üzerinde, bir lazer ışınının etkisi altında, kromozom veya analiz için planlanan bölümleri dışında her şey yanar. Kalan malzeme klonlama ve dizileme için kullanılır.
Hiyerarşik teknolojinin özelliği olan yüksek doğruluk ve ayrıntıyla yürütülen pirinç genomunun tek tek parçalarının dizilenmesinin sonuçları hakkında çok sayıda rapor yayınlanmıştır. Pirinç genomunun tam birincil yapısının belirlenmesinin 2003 yılı sonu ile 2004 ortası arasında tamamlanacağına ve sonuçların, Arabidopsis genomunun birincil yapısına ilişkin verilerle birlikte karşılaştırmalı çalışmalarda yaygın olarak kullanılacağına inanılıyordu. diğer bitkilerin genomikleri.
Bununla birlikte, 2002'nin başlarında, biri Çin'den, diğeri İsviçre'den ve Amerika Birleşik Devletleri'nden iki araştırma grubu, toplam klonlama teknolojisi kullanılarak gerçekleştirilen pirinç genomunun tam bir taslak (yaklaşık) dizilemesinin sonuçlarını yayınladı. Aşamalı (hiyerarşik) çalışmanın aksine, toplam yaklaşım, viral veya bakteriyel vektörlerden birinde tüm genomik DNA'nın eşzamanlı klonlanmasına ve çeşitli içeren önemli (orta ve büyük genomlar için çok büyük) sayıda bireysel klon elde edilmesine dayanır. DNA segmentleri. Bu dizili bölümlerin analizine ve DNA'nın özdeş terminal bölümlerinin üst üste binmesine dayanarak, bir bitişik oluşur - bir araya getirilen bir DNA dizileri zinciri. Genel (toplam) contig, tüm genomun veya en azından tek bir kromozomun birincil yapısıdır.
Böyle bir şematik sunumda, toplam klonlama stratejisi basit görünüyor. Aslında, çok sayıda klon elde etme ihtiyacı (genel olarak incelenen genomun veya bölgesinin klonlarla en az 10 kez örtüşmesi gerektiği kabul edilir), büyük miktarda dizileme ve aşırı karmaşıklık ile ilişkili ciddi zorluklarla karşılaşır. biyoinformatik uzmanlarının katılımını gerektiren yerleştirme klonları üzerinde çalışmak. Toplam klonlamanın önündeki ciddi bir engel, daha önce bahsedildiği gibi, genomun boyutu arttıkça sayısı keskin bir şekilde artan çeşitli tekrarlayan DNA segmentleridir. Bu nedenle, toplam dizileme stratejisi, çok hücreli bir organizma olan Drosophila'nın genomunu incelemek için başarıyla kullanılmış olmasına rağmen, esas olarak virüslerin ve mikroorganizmaların genomlarının incelenmesinde kullanılır.
Bu genomun toplam dizilemesinin sonuçları, kromozomal, gen ve moleküler yapısı hakkında Drosophila'nın neredeyse 100 yıllık bir çalışma süresi boyunca elde edilen çok sayıda bilgi üzerine "üst üste bindirildi". Yine de, dizileme derecesi açısından, Drosophila genomu (toplam genom boyutunun %66'sı), oldukça yakın boyutlarına rağmen (sırasıyla 180 milyon ve 125 milyon baz çifti) Arabidopsis genomundan (%92) önemli ölçüde daha düşüktür. . Bu nedenle, yakın zamanda Drosophila genomunu dizilemek için kullanılan karma teknolojiyi adlandırmak önerilmiştir.
Yukarıda bahsedilen araştırma grupları, pirincin genomunu sıralamak için, Asya ülkelerinde en yaygın olarak yetiştirilen iki alt türünü aldı. Oriza tükürük L. ssp indicaj ve Oriza tükürük L. sspjaponica.Çalışmalarının sonuçları birçok açıdan örtüşüyor, ancak birçok açıdan farklılık gösteriyor. Böylece her iki grubun temsilcileri, kontiglerle genom örtüşmesinin yaklaşık %92-93'üne ulaştıklarını belirtmişlerdir. Pirinç genomunun yaklaşık %42'sinin 20 baz çiftinden oluşan kısa DNA tekrarlarıyla temsil edildiği ve hareketli DNA elemanlarının (transpozonlar) çoğunun intergenik bölgelerde yer aldığı gösterilmiştir. Bununla birlikte, pirinç genomunun boyutuna ilişkin veriler önemli ölçüde farklılık göstermektedir.
Japon alt türleri için genom büyüklüğü 466 milyon baz çifti, Hint alt türleri için ise 420 milyon baz çifti olarak belirlenmiştir.Bu farklılığın nedeni açık değildir. Genomların kodlanmayan kısmının boyutunu belirlemede farklı metodolojik yaklaşımların bir sonucu olabilir, yani gerçek durumu yansıtmaz. Ancak incelenen genomların boyutunda %15'lik bir fark olması mümkündür.
İkinci büyük farklılık, bulunan gen sayısında ortaya çıktı: Japon alt türleri için genom başına 46.022 ila 55.615 gen ve Hint alt türleri için 32.000 ila 50.000 gen. Bu farklılığın nedeni açık değil.
Alınan bilgilerin eksikliği ve tutarsızlığı, yayınlanan yazılara yapılan yorumlarda belirtilmiştir. "Kaba dizileme" verileri ile Uluslararası Pirinç Genom Projesi katılımcıları tarafından yürütülen ayrıntılı, hiyerarşik dizilemenin sonuçları karşılaştırılarak pirinç genomu hakkındaki bilgi boşluklarının ortadan kaldırılacağı umudu da burada ifade edilmektedir.
KARŞILAŞTIRMALI VE FONKSİYONEL BİTKİ GENOMİĞİ
Yarısı (Çin grubunun sonuçları) kamuya açık olan elde edilen kapsamlı veriler, şüphesiz hem pirinç genomu hem de genel olarak bitki genomiği çalışmaları için geniş beklentiler yaratıyor. Arabidopsis ve pirinç genomlarının özelliklerinin karşılaştırılması, Arabidopsis genomunda tanımlanan genlerin çoğunun (%80'e kadar) pirinç genomunda da bulunduğunu gösterdi, ancak pirinçte bulunan genlerin yaklaşık yarısı için analoglar (ortologlar) ) henüz Arabidopsis genomunda bulunmamıştır. . Aynı zamanda diğer tahıllar için birincil yapısı belirlenen genlerin %98'i pirinç genomunda bulundu.
Pirinç ve Arabidopsis'teki gen sayısı arasındaki önemli (neredeyse iki kat) farklılık şaşırtıcıdır. Aynı zamanda, toplam sıralama kullanılarak elde edilen pirinç genomunun taslak kod çözme verileri, hiyerarşik klonlama ve sıralama yöntemiyle pirinç genomunun çalışmasının kapsamlı sonuçlarıyla pratik olarak karşılaştırılmaz. Drosophila genomu ile ilgili olarak yapılmamıştır. Bu nedenle, Arabidopsis ve pirinçteki gen sayısındaki farklılığın gerçek durumu yansıtıp yansıtmadığı veya metodolojik yaklaşımlardaki farklılıkla açıklanıp açıklanmadığı belirsizliğini koruyor.
Arabidopsis genomunun aksine, pirinç genomundaki ikiz genlere ilişkin veriler verilmemiştir. Pirinçte nispi miktarlarının Arabidopsis'e göre daha yüksek olması mümkündür. Bu olasılık, pirincin poliploid formlarının varlığına ilişkin verilerle dolaylı olarak desteklenmektedir. Uluslararası Pirinç Genom Projesi tamamlandıktan ve bu genomun birincil DNA yapısının ayrıntılı bir resmi elde edildikten sonra bu konuda daha fazla netlik beklenebilir. Pirinç genomunun kaba dizilimi ile ilgili çalışmaların yayınlanmasından sonra, bu genomun yapısı hakkındaki yayınların sayısının keskin bir şekilde artması, özellikle ayrıntılı dizileme hakkında bilgilerin ortaya çıkması, böyle bir umut için ciddi temeller sağlar. 1 ve 4 kromozomludur.
Bitkilerdeki genlerin sayısının en azından yaklaşık olarak bilinmesi, karşılaştırmalı bitki genomiği için temel öneme sahiptir. Başlangıçta tüm çiçekli bitkilerin fenotipik özellikleri açısından birbirine çok yakın olması nedeniyle genomlarının da benzer olması gerektiğine inanılıyordu. Arabidopsis'in genomunu incelersek, diğer bitkilerin genomlarının çoğu hakkında bilgi sahibi oluruz. Bu varsayımın dolaylı bir teyidi, şaşırtıcı bir şekilde insan genomuna yakın olan fare genomunun (sadece 1 bininin farklı olduğu ortaya çıkan yaklaşık 30 bin gen) dizilenmesinin sonuçlarıdır.
Arabidopsis ve pirinç genomları arasındaki farklılıkların nedeninin, farklı bitki sınıflarına - dikotlar ve monokotlar - ait oldukları varsayılabilir. Bu konuyu açıklığa kavuşturmak için, diğer bazı monokotiledonlu bitkilerin en azından kaba bir birincil yapısının bilinmesi oldukça arzu edilir. En gerçekçi aday, genomu yaklaşık olarak insan genomuna eşit olan ancak yine de diğer tahılların genomlarından çok daha küçük olan mısır olabilir. Mısırın besin değeri iyi bilinmektedir.
Arabidopsis ve pirincin genomlarının dizilenmesinin bir sonucu olarak elde edilen geniş materyal, karşılaştırmalı genomik kullanan bitki genomlarının büyük ölçekli bir çalışmasının yavaş yavaş temeli haline geliyor. Bu tür çalışmalar genel biyolojik öneme sahiptir, çünkü bir bütün olarak bitki genomunun organizasyonunun ana ilkelerini ve bireysel kromozomlarını oluşturmayı, genlerin yapısının ve düzenleyici bölgelerinin ortak özelliklerini tanımlamayı ve dikkate almayı mümkün kılar. kromozomun fonksiyonel olarak aktif (gen) kısmının ve proteinleri kodlamayan çeşitli intergenik DNA bölgelerinin oranı. Karşılaştırmalı genetik, insan fonksiyonel genomiğinin gelişimi için de giderek daha önemli hale geliyor. Kirpi balığı ve fare genomlarının dizilenmesinin gerçekleştirildiği karşılaştırmalı çalışmalar içindir.
Aynı derecede önemli olan, belirli vücut fonksiyonlarını belirleyen bireysel proteinlerin sentezinden sorumlu bireysel genlerin incelenmesidir. İnsan Genomu programının pratik, öncelikle tıbbi önemi, bireysel genlerin işlevinin keşfinde, izolasyonunda, dizilişinde ve belirlenmesinde yatmaktadır. Bu durum, "İnsan Genomu" programının ancak tüm insan genlerinin işlevleri belirlendiğinde tamamlanacağını vurgulayan J. Watson tarafından birkaç yıl önce belirtilmişti.
Pirinç. dört. Arabidopsis genlerinin işlevine göre sınıflandırma
1 - büyüme, bölünme ve DNA sentezi için genler; 2 - RNA sentez genleri (transkripsiyon); 3 - proteinlerin sentezi ve modifikasyonu için genler; 4 - gelişme, yaşlanma ve hücre ölümü için genler; 5 - hücre metabolizması ve enerji metabolizmasının genleri; 6 - hücreler arası etkileşim ve sinyal iletimi genleri; 7 - diğer hücresel süreçleri sağlamak için genler; 8 - işlevi bilinmeyen genlerBitki genlerinin işlevine gelince, insan genleri hakkında bildiklerimizin onda birinden daha azını biliyoruz. Genomu insan genomundan çok daha fazla çalışılan Arabidopsis'te bile, genlerinin neredeyse yarısının işlevi bilinmemektedir (Şekil 4). Bu arada, hayvanlarda ortak olan genlere ek olarak, bitkilerde sadece kendilerine özgü (veya en azından ağırlıklı olarak) önemli sayıda gen bulunur. Suyun taşınmasında ve hayvanlarda bulunmayan hücre duvarının sentezinde görev alan genlerden, kloroplastların oluşumunu ve işleyişini sağlayan genlerden, fotosentezden, azot fiksasyonundan ve sayısız aromatik ürünün sentezinden bahsediyoruz. Bu listeye devam edilebilir, ancak bitkilerin işlevsel genomiklerinin ne kadar zor bir görevle karşı karşıya olduğu zaten açıktır.
Tüm genom dizilimi, belirli bir organizmadaki toplam gen sayısı hakkında doğruya yakın bilgi sağlar, yapıları hakkında az çok ayrıntılı ve güvenilir bilgilerin veri bankalarına yerleştirilmesini mümkün kılar ve bireysel genlerin izole edilmesi ve çalışılması işini kolaylaştırır. Bununla birlikte, genom dizilimi hiçbir şekilde tüm genlerin işlevini belirlemek anlamına gelmez.
Fonksiyonel genomiğin en umut verici yaklaşımlarından biri, mRNA'nın transkripsiyonu (okunması) için kullanılan çalışan genlerin tanımlanmasına dayanmaktadır. Modern mikrodizi teknolojisinin kullanımı da dahil olmak üzere bu yaklaşım, aynı anda on binlerce işlevsel genin tanımlanmasını mümkün kılar. Son zamanlarda, bu yaklaşımı kullanarak, bitki genomlarının çalışması başlamıştır. Arabidopsis için, neredeyse tüm genlerinin işlevini belirleme olasılığını büyük ölçüde kolaylaştıran yaklaşık 26 bin bireysel transkript elde etmek mümkün oldu. Patateslerde, hem büyüme ve yumru oluşumu süreçlerini hem de patates hastalığı süreçlerini anlamak için önemli olan yaklaşık 20.000 çalışan gen tanımlamak mümkündü. Bu bilginin en önemli gıda ürünlerinden birinin patojenlere karşı direncini artıracağı varsayılmaktadır.
Fonksiyonel genomiğin mantıksal gelişimi proteomikti. Bu yeni bilim alanı, genellikle belirli bir anda bir hücredeki eksiksiz protein seti olarak anlaşılan proteomu inceler. Genomun işlevsel durumunu yansıtan böyle bir protein seti, genom değişmeden kalırken her zaman değişir.
Proteinlerin incelenmesi, bitki genomlarının aktivitesini değerlendirmek için uzun süredir kullanılmaktadır. Bilindiği gibi, tüm bitkilerde bulunan enzimler, amino asitlerin dizilişinde bireysel tür ve çeşitlere göre farklılık gösterir. Aynı işleve sahip, ancak farklı bir amino asit dizisine sahip bu tür enzimlere izoenzimler denir. Kromatografi veya elektroforez kullanılarak tespit edilebilen farklı fizikokimyasal ve immünolojik özelliklere (moleküler ağırlık, yük) sahiptirler. Uzun yıllar boyunca, bu yöntemler, genetik polimorfizmi, yani organizmalar, çeşitler, popülasyonlar, türler, özellikle buğday ve ilgili tahıl formları arasındaki farklılıkları incelemek için başarıyla kullanılmıştır. Ancak son zamanlarda, dizileme de dahil olmak üzere DNA analiz yöntemlerinin hızla gelişmesi nedeniyle, protein polimorfizmi araştırması yerini DNA polimorfizmi çalışmasına bırakmıştır. Bununla birlikte, tahılların temel beslenme özelliklerini belirleyen depo proteinlerinin (prolaminler, gliadinler, vb.) spektrumlarının doğrudan incelenmesi, tarımsal bitkilerin genetik analizi, seçimi ve tohum üretimi için önemli ve güvenilir bir yöntem olmaya devam etmektedir.
Genlerin bilgisi, ekspresyon ve düzenleme mekanizmaları, biyoteknolojinin gelişimi ve transgenik bitkilerin üretimi için son derece önemlidir. Bu alandaki etkileyici başarıların çevre ve tıp camiasında belirsiz bir tepkiye neden olduğu bilinmektedir. Bununla birlikte, bu korkuların tamamen temelsiz olmasa da, her durumda çok az önemli göründüğü bir bitki biyoteknolojisi alanı vardır. Gıda ürünü olarak kullanılmayan transgenik endüstriyel bitkilerin oluşturulmasından bahsediyoruz. Hindistan kısa süre önce bir dizi hastalığa dirençli ilk transgenik pamuğu hasat etti. Pigment proteinlerini kodlayan özel genlerin pamuk genomuna dahil edilmesi ve suni boyama gerektirmeyen pamuk liflerinin üretimi hakkında bilgiler var. Etkili genetik mühendisliğinin konusu olabilecek bir diğer endüstriyel ürün ise ketendir. Son zamanlarda tekstil hammaddelerinde pamuğa alternatif olarak kullanımı tartışılmaktadır. Bu sorun kendi ham pamuk kaynaklarını kaybetmiş olan ülkemiz için son derece önemlidir.
BİTKİ GENOMLARINI ÇALIŞMAK İÇİN BEKLENTİLER
Açıkçası, bitki genomlarının yapısal çalışmaları, ana materyal olarak Arabidopsis ve pirincin genomlarının deşifre edilmesinin sonuçlarını kullanarak karşılaştırmalı genomik yaklaşımlarına ve yöntemlerine dayanacaktır. Karşılaştırmalı bitki genomiğinin gelişmesinde kuşkusuz önemli bir rol, diğer bitkilerin genomlarının toplam (kaba) dizilenmesiyle er ya da geç sağlanacak bilgiler tarafından oynanacaktır. Bu durumda karşılaştırmalı bitki genomiği, bireysel lokuslar ile farklı genomlara ait kromozomlar arasındaki genetik ilişkilerin kurulmasına dayanacaktır. Bireysel kromozom lokuslarının seçici genomikleri kadar bitkilerin genel genomiklerine odaklanmayacağız. Örneğin, son zamanlarda vernalizasyondan sorumlu genin, hekzaploid buğday kromozomu 5A'nın VRn-AI lokusunda ve pirinç kromozomu 3'ün Hd-6 lokusunda yer aldığı gösterilmiştir.
Bu çalışmaların geliştirilmesi, işlevsel olarak önemli birçok bitki geninin, özellikle hastalık direncinden, kuraklığa dayanıklılıktan ve çeşitli yetiştirme koşullarına uyumdan sorumlu genlerin tanımlanması, izolasyonu ve dizilenmesi için güçlü bir itici güç olacaktır. Bitkilerde işlev gören genlerin kütle saptamasına (taramasına) dayalı olarak giderek artan bir şekilde fonksiyonel genomik kullanılacaktır.
Mikrodiseksiyon yöntemi başta olmak üzere kromozom teknolojilerinin daha da geliştirilmesini öngörebiliriz. Kullanımı, örneğin toplam genom dizilimi gibi büyük maliyetler gerektirmeden genomik araştırma olanaklarını önemli ölçüde genişletir. Hibridizasyon yardımı ile bireysel genlerin bitkilerinin kromozomları üzerinde lokalizasyon yöntemi daha da yayılacaktır. yerinde.Şu anda kullanımı, bitki genomundaki çok sayıda tekrarlayan diziyle ve muhtemelen bitki kromozomlarının yapısal organizasyonunun özellikleriyle sınırlıdır.
Kromozom teknolojileri, yakın gelecekte bitkilerin evrimsel genomikleri için büyük önem kazanacaktır. Bu nispeten ucuz teknolojiler, tür içi ve türler arası değişkenliği hızlı bir şekilde değerlendirmeyi, tetraploid ve hekzaploid buğday, tritikalenin karmaşık allopoliploid genomlarını incelemeyi; evrimsel süreçleri kromozomal düzeyde analiz eder; sentetik genomların oluşumunu ve yabancı genetik materyalin girişini (introgresyonunu) araştırmak; Farklı türlerin bireysel kromozomları arasındaki genetik ilişkileri tanımlar.
Moleküler biyolojik analiz ve bilgisayar teknolojisi ile zenginleştirilmiş klasik sitogenetik yöntemler kullanılarak bitki karyotipinin incelenmesi, genomu karakterize etmek için kullanılacaktır. Bu, yalnızca bireysel organizmalar düzeyinde değil, aynı zamanda popülasyonlar, çeşitler ve türler düzeyinde karyotipin stabilitesini ve değişkenliğini incelemek için özellikle önemlidir. Son olarak, farklı boyama yöntemleri kullanılmadan kromozomal yeniden düzenlemelerin (aberasyonlar, köprüler) sayısının ve spektrumunun nasıl tahmin edilebileceğini hayal etmek zordur. Bu tür çalışmalar, çevreyi bitki genomunun durumuna göre izlemek için son derece umut vericidir.
Modern Rusya'da, bitki genomlarının doğrudan dizilenmesinin yapılması pek olası değildir. Büyük yatırımlar gerektiren bu tür işler, mevcut ekonomimizin gücünü aşmaktadır. Bu arada, dünya bilimi tarafından elde edilen ve uluslararası veri bankalarında bulunan Arabidopsis ve pirinç genomlarının yapısına ilişkin veriler, yerli bitki genomiğinin geliştirilmesi için yeterlidir. Büyük ekonomik öneme sahip çeşitli bitki türlerinin kökenini incelemek kadar, yetiştirme ve mahsul üretiminin belirli sorunlarını çözmek için karşılaştırmalı genomik yaklaşımlara dayanan bitki genomu çalışmalarının genişletilmesi öngörülebilir.
Bütçemize oldukça uygun olan genetik tiplendirme (RELF, RAPD, AFLP analizleri vb.) gibi genomik yaklaşımların yerli ıslah uygulamalarında ve bitkisel üretimde yaygın olarak kullanılacağı varsayılabilir. DNA polimorfizminin belirlenmesine yönelik doğrudan yöntemlere paralel olarak, başta tahılların depo proteinleri olmak üzere protein polimorfizminin araştırılmasına dayalı yaklaşımlar, genetik ve bitki ıslahı sorunlarının çözümünde kullanılacaktır. Kromozomal teknolojiler yaygın olarak kullanılacaktır. Nispeten ucuzdurlar, geliştirmeleri oldukça ılımlı yatırımlar gerektirir. Kromozom çalışmaları alanında, yerli bilim dünyadan daha aşağı değildir.
Bilimimizin bitki genomiğinin oluşumuna ve gelişimine önemli katkılarda bulunduğu vurgulanmalıdır [ , ].
Temel rol N.I. Vavilov (1887-1943).
Moleküler biyoloji ve bitki genomiğinde, A.N. Belozersky (1905-1972).
Kromozom çalışmaları alanında, seçkin genetikçi S.G.'nin çalışmalarına dikkat etmek gerekir. Bitkilerde uydu kromozomlarını ilk keşfeden ve morfolojilerinin özelliklerine göre tek tek kromozomları ayırt etmenin mümkün olduğunu kanıtlayan Navashin (1857-1930).
Rus biliminin bir başka klasiği G.A. Levitsky (1878-1942) çavdar, buğday, arpa, bezelye ve şeker pancarının kromozomlarını ayrıntılı olarak tanımlamış, "karyotip" terimini bilime sokmuş ve bunun doktrinini geliştirmiştir.
Dünya biliminin başarılarına dayanan modern uzmanlar, bitki genetiği ve genomiklerinin daha da gelişmesine önemli katkılarda bulunabilirler.
Yazar, Akademisyen Yu.P.'ye en içten teşekkürlerini sunar. Altukhov'a makalenin eleştirel tartışması ve değerli tavsiyeleri için teşekkür ederiz.Makalenin yazarı tarafından yönetilen ekibin çalışmaları, Rusya Temel Araştırma Vakfı (99-04-48832; 00-04-49036; 00-04-81086 hibeleri), Rusya Federasyonu Başkanının Programı tarafından desteklenmiştir. Rusya Federasyonu'nun bilim okullarını (hibe no. 00-115 -97833 ve NSh-1794.2003.4) ve Rusya Bilimler Akademisi "Modern ıslah ve tohum üretim yöntemlerinin geliştirilmesinde moleküler genetik ve kromozomal belirteçler" Programını desteklemesi. .
EDEBİYAT
1. Zelenin A.V., Badaeva E.D., Muravenko O.V. Bitki genomiğine giriş // Moleküler biyoloji. 2001. V. 35. S. 339-348. 2. Kalem E. Bitki Genomiği için Bonanza // Bilim. 1998. V. 282. S. 652-654. 3. Bitki genomiği, Proc. Natl. Acad. bilim AMERİKA BİRLEŞİK DEVLETLERİ. 1998. V. 95. S. 1962-2032. 4. Kartel NA ve benzeri. Genetik. Ansiklopedik Sözlük. Minsk: Teknoloji, 1999. 5. Badaeva E.D., Friebe B., Gill B.S. 1996. Aegilops'ta genom farklılaşması. 1. Son derece tekrarlayan DNA dizilerinin diploid türlerin kromozomları üzerinde dağılımı, Genom. 1996. V. 39. S. 293-306. Kromozom analizinin tarihçesi // Biol. membranlar. 2001. T. 18. S. 164-172.
atlama genleri
Geçen yüzyılın ortalarında, Amerikalı araştırmacı Barbara McClintock, mısırda kromozomlar üzerindeki konumlarını bağımsız olarak değiştirebilen harika genler keşfetti. Şimdi bunlara "sıçrayan genler" veya yer değiştirebilir (hareketli) elemanlar deniyor. Keşif, mobil unsurların yalnızca mısır için karakteristik olan benzersiz bir fenomen olduğu düşünüldüğünde uzun süre tanınmadı. Ancak, 1983'te bu keşif için McClintock ödüllendirildi. Nobel Ödülü Günümüzde, incelenen hemen hemen tüm hayvan ve bitki türlerinde atlama genleri bulunmuştur.
Zıplayan genler nereden geldi, hücrede ne işe yarıyor, faydaları var mı? Neden, genetik olarak sağlıklı ebeveynlerle, Drosophila meyve sineği ailesi, atlama genleri nedeniyle, yüksek frekansta mutant yavrular üretebilir veya hatta tamamen çocuksuz olabilir? Sıçrayan genlerin evrimdeki rolü nedir?
Hücrelerin işleyişini sağlayan genlerin kromozomlar üzerinde belirli bir sıra ile yer aldığını söylemek gerekir. Bu sayede, birçok tek hücreli ve çok hücreli organizma türü için sözde inşa etmek mümkün oldu. genetik haritalar. Bununla birlikte, genler arasında kendilerinden çok daha fazla genetik materyal vardır! DNA'nın bu "balast" bölümünün oynadığı rol tam olarak belirlenmemiştir, ancak burada yalnızca kendilerini hareket ettirmekle kalmayıp aynı zamanda komşu DNA parçalarını da alabilen mobil elementlerin en sık bulunduğu yer burasıdır.
Jumper genleri nereden geliyor? En azından bazılarının virüslerden türetildiğine inanılmaktadır, çünkü bazı hareketli elementler viral partiküller oluşturabilmektedir (örneğin, meyve sineğindeki çingene hareketli elementi). Drosophila melanogaster). Bazı transposable elementler, genomda sözde yatay transfer diğer türlerden. Örneğin, mobil olduğu tespit edildi. serseri-element (Rusça'ya çevrilmiş, buna serseri denir) Drosophila melanogaster tekrar tekrar bu türün genomuna dahil edildi. DNA'nın bazı düzenleyici bölgelerinin de özerkliğe ve "serserilik" eğilimine sahip olabileceği bir versiyon var.
faydalı balast
Öte yandan, zıplayan genlerin çoğu, ismine rağmen, toplam genetik materyalin beşte birini oluşturmalarına rağmen sessiz davranırlar. Drosophila melanogaster veya insan genomunun neredeyse yarısı.
Yukarıda bahsedilen DNA fazlalığının kendi artısı vardır: balast DNA (pasif mobil elementler dahil) genoma yabancı DNA girerse darbeyi alır. Önemli olandan çok daha fazla hacimli DNA varsa, yararlı bir gene yeni bir elementin eklenmesi ve böylece çalışmasını bozma olasılığı azalır.
DNA'nın bir miktar fazlalığı, kelimelerdeki harflerin "fazlalığı" ile aynı şekilde yararlıdır: "Maria Ivanovna" yazarız ve "Marivana" deriz. Harflerin bazıları kaçınılmaz olarak kaybolur, ancak anlam kalır. Aynı ilke, bir protein-enzim molekülündeki tek tek amino asitlerin önem düzeyinde de çalışır: sadece aktif merkezi oluşturan amino asit dizisi kesinlikle tutucudur. Böylece, farklı seviyelerde artıklık, sistem için bir güvenlik payı sağlayan bir tür arabellek haline gelir. Böylece hareketliliğini kaybetmiş hareketli elementler genom için işe yaramaz hale gelmez. Dedikleri gibi, “ince bir koyundan bir tutam yün bile” olsa da, belki de burada başka bir atasözü daha uygun olacaktır - “her bast bir satırda”.
Drosophila kromozomları boyunca, elementin tipine, genetik arka plana ve dış koşullar. Bu, bir hücredeki yüz atlama geninden birinin, bir sonraki hücre bölünmesinden sonra konumunu değiştirebileceği anlamına gelir. Sonuç olarak, birkaç jenerasyondan sonra, kromozom boyunca yer değiştiren elementlerin dağılımı çok önemli ölçüde değişebilir.
Drosophila larvalarının tükürük bezlerinden polietilen (çok filamentli) kromozomlar üzerinde böyle bir dağılımı incelemek uygundur. Bu kromozomlar normal olanlardan çok daha kalındır, bu da onları mikroskop altında incelemeyi çok daha kolay hale getirir. Bu kromozomlar nasıl yapılır? Tükürük bezlerinin hücrelerinde, kromozomların her birinin DNA'sı, normal hücre bölünmesinde olduğu gibi çoğalır, ancak hücrenin kendisi bölünmez. Sonuç olarak, bezdeki hücre sayısı değişmez, ancak 10-11 döngüde her kromozomda birkaç bin özdeş DNA zinciri birikir.
Kısmen polyten kromozomları nedeniyle, Drosophila'daki atlama genleri diğer metazoanlardan daha iyi anlaşılır. Bu çalışmaların bir sonucu olarak, aynı Drosophila popülasyonu içinde bile, aynı hareketli element dağılımına sahip kromozomlara sahip iki birey bulmanın zor olduğu ortaya çıktı. Drosophila'daki spontan mutasyonların çoğunun bu "haznelerin" hareketinden kaynaklandığına inanılması tesadüf değildir.
Sonuçlar değişebilir...
Genom üzerindeki etkilerine bağlı olarak, aktif transposable elementler birkaç gruba ayrılabilir. Bazıları genom için son derece önemli ve yararlı olan işlevleri yerine getirir. Örneğin, telomer Drosophila'da kromozomların uçlarında yer alan DNA, sadece özel hareketli elementlerden oluşur. Bu DNA son derece önemlidir - kaybı, hücre bölünmesi sürecinde tüm kromozomun kaybını gerektirir ve bu da hücre ölümüne yol açar.
Diğer mobil unsurlar tamamen "zararlılardır". En azından öyle sayılırlar şu an. Örneğin, R2 sınıfının yer değiştirebilir elemanları, protein sentezi için hücresel "fabrikalar" olan ribozom proteinlerinden birini kodlayan eklembacaklı genlerine spesifik olarak dahil edilebilir. Bu tür bozuklukları olan bireyler hayatta kalır çünkü bu proteinleri kodlayan birçok genin sadece bir kısmı genomda hasar görür.
Sadece üreme dokularında hareket eden ve germ hücrelerini üreten böyle hareketli elementler de vardır. Bu, farklı dokularda aynı mobil elementin, hareket için gerekli protein-enzim molekülünün farklı uzunluk ve fonksiyonlarını üretebilmesi gerçeğiyle açıklanmaktadır.
İkincisine bir örnek, P elementidir. Drosophila melanogaster doğal popülasyonlarına, yüz yıldan daha uzun olmayan bir süre önce başka bir Drosophila türünden yatay transferle giren. Ancak, şu anda Dünya'da neredeyse hiç nüfus yok. Drosophila melanogaster, ki burada hiçbir P öğesi olmazdı. Aynı zamanda, kopyalarının çoğunun kusurlu olduğu, ayrıca kusurun aynı versiyonunun hemen hemen her yerde bulunduğuna dikkat edilmelidir. İkincisinin genomdaki rolü kendine özgüdür: arkadaşlarına "hoşgörüsüzdür" ve hareketlerini engelleyen bir baskılayıcı rolü oynar. Bu nedenle, Drosophila genomunun "yabancı" sıçramalarından korunması kısmen kendi türevleri tarafından gerçekleştirilebilir.
Ana şey doğru ebeveynleri seçmek!
Mobil öğelerin sıçramalarının çoğu etkilemez dış görünüş Drosophila, çünkü balast DNA'sına düşer, ancak aktivitelerinin çarpıcı biçimde arttığı başka durumlar da vardır.
İşin tuhafı, zıplayan genlerin hareketini tetikleyen en güçlü faktör, yetersiz ebeveynliktir. Örneğin, bir laboratuvar popülasyonundan dişileri çaprazlarsanız ne olur? Drosophila melanogaster P elementine sahip olmayan (çünkü ataları yaklaşık yüz yıl önce doğadan yakalandı), erkekler P elementi taşıyor mu? Melezlerde, hareketli elementin hızlı hareketi nedeniyle çok sayıda çeşitli genetik bozukluklar ortaya çıkabilir. Hibrit disgenezi adı verilen bu fenomen, maternal sitoplazmada mobil elementin hareketini engelleyen bir baskılayıcının olmamasından kaynaklanır.
Bu nedenle, eğer A popülasyonundan damatlar ve B popülasyonundan gelinler geniş aileler oluşturabilirse, bunun tersi her zaman doğru değildir. Genetik olarak sağlıklı ebeveynlerden oluşan bir aile, çok sayıda mutant veya infertil yavru üretebilir, hatta baba ve annenin genomunda farklı mobil elementler seti varsa, çocuksuz olabilir. Özellikle deney 29 ° C sıcaklıkta gerçekleştirilirse birçok ihlal ortaya çıkar. Genetik arka plan üzerine bindirilen dış faktörlerin etkisi, tek başına bu faktörler (hatta iyonlaştırıcı radyasyon) tek başına yetenekli olmasa da, genom uyumsuzluğunun etkisini arttırır. hareketli elemanların böylesine büyük bir hareketine neden olmak.
benzer olaylar Drosophila melanogaster diğer mobil element ailelerinin katılımıyla gerçekleşebilir.
"Mobil" evrim
Hücresel genom, komşuların sadece bir arada var olmadığı, aynı zamanda birbirleriyle etkileşime girdiği kalıcı ve geçici üyelerden oluşan bir tür ekosistem olarak görülebilir. Konak genlerin transposable elementlerle etkileşimi hala tam olarak anlaşılamamıştır, ancak önemli bir genin hasar görmesi durumunda bir organizmanın ölümünden daha önce hasar görmüş fonksiyonların restorasyonuna kadar birçok sonuç belirtilebilir.
Sıçrayan genlerin kendileri birbirleriyle etkileşime girer. Bu nedenle, mobil bir eleman mevcut olanın yakın çevresine yerleştirilemediği zaman bağışıklığa benzer bir fenomen bilinmektedir. Ancak, tüm mobil öğeler o kadar hassas değildir: örneğin, P öğeleri kendilerini kolayca birbirine gömebilir ve kardeşlerini oyundan çıkarabilir.
Ek olarak, genomdaki yer değiştirebilen elementlerin sayısının bir tür kendi kendini düzenlemesi vardır. Gerçek şu ki, hareketli elemanlar birbirleriyle homolog bölgeleri değiş tokuş edebilir - bu sürece denir rekombinasyon. Böyle bir etkileşimin bir sonucu olarak, mobil elemanlar, yönelimlerine bağlı olarak, kaybedebilir ( silme) veya genişletin ( ters çevirme) aralarında bulunan konakçı DNA parçaları. Kromozomun önemli bir parçası kaybolursa, genom ölür. Bir ters çevirme veya küçük bir delesyon durumunda, evrim için gerekli bir koşul olarak kabul edilen kromozom çeşitliliği yaratılır.
Farklı kromozomlarda bulunan hareketli elementler arasında rekombinasyonlar meydana gelirse, sonuç olarak, sonraki hücre bölünmeleri sırasında genomda bir dengesizliğe yol açabilen kromozomal yeniden düzenlemeler oluşur. Ve dengesiz bir genom, dengesiz bir bütçe gibi, çok kötü bir şekilde bölünmüştür. Dolayısıyla başarısız genomların ölümü, aktif transpoze edilebilir elementlerin kromozomları sınırsız bir şekilde doldurmamasının nedenlerinden biridir.
Doğal bir soru ortaya çıkıyor: Mobil unsurların evrime katkısı ne kadar önemli? İlk olarak, yer değiştirebilen öğelerin çoğu, kabaca söylemek gerekirse, zorunlu oldukları yerde eklenirler ve bunun bir sonucu olarak, içine dahil edildikleri genin yapısına veya düzenlemesine zarar verebilir veya bunları değiştirebilirler. Daha sonra doğal seleksiyon başarısız seçenekleri bir kenara atar ve uyarlanabilir özelliklere sahip başarılı seçenekler sabitlenir.
Transpoze edilebilir bir elementin sokulmasının sonuçları nötr olduğu ortaya çıkarsa, bu varyant popülasyonda korunabilir ve gen yapısında bir miktar çeşitlilik sağlanabilir. Bu yararlı olabilir olumsuz koşullar. Teorik olarak, hareketli elementlerin kütle hareketi sırasında, aynı anda birçok gende mutasyonlar ortaya çıkabilir, bu da varoluş koşullarında keskin bir değişiklik olması durumunda çok faydalı olabilir.
Özetlemek gerekirse: genomda birçok hareketli unsur vardır ve bunlar farklıdır; hem birbirleriyle hem de konakçı genlerle etkileşime girebilirler; zararlı ve yeri doldurulamaz olabilir. Hareketli unsurların hareketinin neden olduğu genomun kararsızlığı, bir birey için trajedi ile sonuçlanabilir, ancak hızlı bir şekilde değişebilme yeteneği, bir popülasyonun veya türün hayatta kalması için gerekli bir koşuldur. Bu, doğal seçilimin ve sonraki evrimsel dönüşümlerin temeli olan çeşitlilik yaratır.
Sıçrayan genler ve göçmenler arasında bir benzetme yapabilirsiniz: Bazı göçmenler veya onların soyundan gelenler eşit vatandaş olur, diğerlerine oturma izni verilir ve yine de diğerleri - yasalara uymayanlar - sınır dışı edilir veya hapsedilir. Ve halkların kitlesel göçleri, devletin kendisini hızla değiştirebilir.
Edebiyat
Ratner V. A., Vasilyeva L. A. Mobil genetik elementlerin transpozisyonlarının stresli etkilerle uyarılması. Rus bağlayıcı. 2000.
Gvozdev V. A. Hareketli ökaryotik DNA // Soros Eğitim Dergisi. 1998. Sayı 8.
