DNK tuzilishi kashf etilganining 50 yilligiga

A.V. Zelenin

O'SIMLAR GENOMASI

A. V. Zelenin

Zelenin Aleksandr Vladimirovich- d.b.n.,
molekulyar biologiya instituti laboratoriya mudiri. V.A. Engelxardt RAS.

"Odam genomi" dasturining ajoyib yutuqlari, shuningdek, juda kichik (viruslar), kichik (bakteriyalar, xamirturush) va o'rta (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 bo'lib o'tgan o'simliklar genomikasiga bag'ishlangan yig'ilishda ta'kidlangan [, ]. O'sha vaqtdan beri o'tgan yillar davomida bu sohada shubhasiz muvaffaqiyatlarga erishildi. 2000 yilda mayda xantal - Arabidopsis genomining to'liq ketma-ketligi (butun yadroviy DNKning chiziqli nukleotidlar ketma-ketligini aniqlash), 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-ketligi bo'yicha ishlar qayta-qayta xabar qilingan, ammo bu hisobotlarda aniq ma'lumotlar yo'q edi va ular niyat deklaratsiyasi xarakteriga ega edi.

O'simlik genomlarini dekodlash fan va amaliyot uchun keng istiqbollarni ochib beradi, deb taxmin qilinadi. 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 chidamliligi, shuningdek, xromosomalarning gomologik juftlanishi kabi muhim funktsiyalari uchun mas'ul bo'lgan genlarning ochilishi, izolyatsiyasi, ko'payishi (klonlanishi) va ketma-ketligi bilan, naslchilik jarayonini takomillashtirish uchun yangi imkoniyatlar bog'liq. Nihoyat, ajratilgan va klonlangan genlardan tubdan yangi xossalarga ega bo‘lgan transgen o‘simliklarni olish va genlar faolligini tartibga solish mexanizmlarini tahlil qilish uchun foydalanish mumkin.

O'simlik genomlarini o'rganishning ahamiyati shu bilan ham ta'kidlanadiki, shu paytgacha mahalliylashtirilgan, klonlangan va ketma-ket o'simlik genlari soni kichik bo'lib, turli hisob-kitoblarga ko'ra, 800 dan 1200 gacha o'zgarib turadi. Bu 10-15 baravar kamroq masalan, odamlarda.

O'simliklar genomlarini keng ko'lamli o'rganish bo'yicha shubhasiz etakchi AQSh bo'lib qolmoqda, garchi Yaponiyada guruch genomini intensiv o'rganish olib borilmoqda va o'tgan yillar va Xitoyda. 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 "Genomikdan keyingi davrda genomikaning istiqbollari" muhim sarlavhasi ostidagi yig'ilishda 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-o'n besh yil ichida) aholi sonining ko'payishi insoniyatni umumiy inqirozga duchor qilishiga tahdid soladi. oziq-ovqat inqirozi, Yevropa iqtisodiyoti va ilm-fan Amerika texnologiyasiga qaram bo'lib qoladi. Shu munosabat bilan oʻsimlik genomlarini oʻrganish boʻyicha Franko-Germaniya ilmiy dasturi (“Plantgene”) yaratilishi eʼlon qilindi va unga katta miqdorda sarmoya kiritildi.

Shubhasiz, o'simliklar genomikasi muammolari rossiyalik olimlar va fan tashkilotchilarining, shuningdek, boshqaruv organlarining diqqatini jalb qilishi kerak, chunki bu nafaqat ilmiy obro'ga, balki mamlakatning milliy xavfsizligiga ham tegishli. Bir-ikki yil ichida 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 qiyinroq vazifadir. Bu quyidagi holatlarga bog'liq:

katta genom o'lchamlari, erishish ayrim turlari o'nlab va hatto yuzlab milliard tayanch juftlikdagi o'simliklar (bp): asosiy iqtisodiy ahamiyatga ega o'simliklarning genomlari (guruch, zig'ir va paxtadan tashqari) hajmi bo'yicha odam genomiga yaqin yoki undan ko'p marta katta (jadval);
Turli o'simliklardagi xromosomalar sonining keskin o'zgarishi - ba'zi turlarda ikkitadan, boshqalarida bir necha yuztagacha, genomning kattaligi 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) (alpoliploidiya);
O'simlik genomlarini (99% gacha) "ahamiyatsiz" (kodlanmagan, ya'ni genlarni o'z ichiga olmaydi) DNKning haddan tashqari boyitishi, bu ketma-ket bo'lgan qismlarni umumiy kattalikka joylashtirishni (to'g'ri tartibda joylashtirishni) sezilarli darajada murakkablashtiradi. o'lchamli DNK hududi (kontig);
Xromosomalarning to'liq bo'lmagan (drozofila, 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 (oqimda saralash va hujayra duragaylaridan foydalanish);
Gibridizatsiya yordamida individual genlarning xromosoma xaritasini (xromosomada joylashishini aniqlash) qiyinligi joyida, ham o'simlik genomlarida "ahamiyatsiz" DNKning yuqori miqdori, ham o'simlik xromosomalarining strukturaviy tashkil etilishining o'ziga xos xususiyatlari tufayli;
O'simliklarning hayvonlardan evolyutsion uzoqligi, bu o'simlik genomlarini o'rganish uchun odamlar va boshqa hayvonlarning genomlarini ketma-ketlashtirish orqali olingan ma'lumotlardan foydalanishni jiddiy ravishda murakkablashtiradi;
Ko'pgina o'simliklarning ko'payishining uzoq jarayoni, bu ularning genetik tahlilini sezilarli darajada sekinlashtiradi.

GENOMLARNING XROMOSOMAL TADQIQATLARI

Umuman olganda, genomlarni, xususan, o'simliklarni xromosoma (sitogenetik) tadqiqotlari mavjud uzoq tarix. "Genom" atamasi 20-asrning birinchi choragida, ya'ni DNKning genetik tashuvchi sifatidagi roli paydo bo'lishidan ancha oldin, ulardagi genlarga ega bo'lgan gaploid (yagona) xromosomalar to'plamiga nisbatan taklif qilingan. ma `lumot.

Yangi, ilgari genetik jihatdan o'rganilmagan 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 duragaylardagi meiotik konjugatsiya (homolog xromosomalar assotsiatsiyasi) tahlili asosida tegishli o'simlik turlarining genomlari taqqoslandi. So'nggi 100 yil ichida xromosomalarni tahlil qilish imkoniyatlari keskin kengaydi. Endi o'simliklar genomlarini tavsiflash uchun yanada ilg'or texnologiyalar qo'llaniladi: morfologik xususiyatlar bo'yicha individual xromosomalarni aniqlash imkonini beradigan differentsial bo'yashning turli xil variantlari; gibridlanish joyida xromosomalarda o'ziga xos genlarni lokalizatsiya qilish imkoniyatini yaratish; biokimyoviy tadqiqotlar hujayra oqsillari (elektroforez va immunokimyo) va nihoyat, xromosoma DNKsini uning ketma-ketligigacha tahlil qilishga asoslangan usullar to'plami.

Guruch. bitta. Don kariotiplari a - javdar (14 xromosoma), b - qattiq bug'doy (28 xromosoma), c - yumshoq bug'doy (42 xromosoma), d - arpa (14 xromosoma)

Ko'p yillar davomida donli ekinlarning, birinchi navbatda, bug'doy va javdarning kariotiplari o'rganildi. Bu qiziq turli xil turlari bu o'simliklarda xromosomalar soni har xil, lekin har doim yetti marta ko'payadi. Donning alohida turlarini ularning karyotipi bo'yicha ishonchli tarzda tanib olish 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. A, B va D deb atalgan alohida bug'doy 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 aks etadi: qattiq yoki makaron, bug'doy va yumshoq yoki non, bug'doy . Kleykovina oqsillari genlarini o'z ichiga olgan D geni xamirga urug'lanish deb ataladigan xususiyatni beradi, yumshoq bug'doyning yuqori pishirish xususiyatlariga ega bo'lishi uchun javobgardir. 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 hisoblanadi.

Bug‘doyning yovvoyi qarindoshlari – Aegiloplar kabi eng muhim qishloq xo‘jaligi turlarining sifatini yaxshilash uchun foydalaniladigan ayrim yovvoyi o‘simliklarning xromosomalari jadal o‘rganilmoqda. Yangi o'simlik shakllari kesishish (2-rasm) va tanlash orqali yaratiladi. So'nggi yillarda tadqiqot usullarining sezilarli darajada yaxshilanishi o'simlik genomlarini o'rganishni boshlash imkonini berdi, ularning karyotiplarining xususiyatlari (asosan xromosomalarning kichik o'lchamlari) ularni xromosoma tahlili uchun ilgari imkonsiz qilgan. Shunday qilib, yaqinda paxta, romashka va zig'irning barcha xromosomalari birinchi marta aniqlandi.

Guruch. 2. Bug'doyning kariotiplari va bug'doyning Aegilops bilan duragaylari

a - geksaploid yumshoq 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 genetikaning rivojlanishi bilan genom tushunchasi kengaydi. 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 odamlar genomlarining to'liq birlamchi tuzilishini (nuklein kislota asoslarining to'liq chiziqli ketma-ketligi ko'pincha shunday deb ataladi) o'rganishdan so'ng, o'simlik genomlarini ketma-ketlashtirish masalasi paydo bo'ldi.

Ko'p o'simlik organizmlaridan ikkitasi o'rganish uchun tanlab olindi - dikotlar sinfini ifodalovchi Arabidopsis (genom hajmi 125 million bp) va monokotlar sinfidan sholi (420-470 million bp). Bu genomlar boshqa o'simlik genomlari bilan solishtirganda kichik va nisbatan kam takrorlanuvchi DNK segmentlarini o'z ichiga oladi. Bunday xususiyatlar tanlangan genomlarning asosiy tuzilishini nisbatan tez aniqlash uchun mavjud bo'lishiga umid qildi.

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

Arabidopsisni tanlashga uning genomining kichikligigina emas, balki organizmning kichikligi ham sabab bo‘ldi, bu esa uni laboratoriya sharoitida o‘stirishni osonlashtiradi (3-rasm). Biz uning qisqa reproduktiv siklini hisobga oldik, buning yordamida kesishish va tanlash, batafsil o'rganilgan genetika, o'sayotgan sharoitlarda manipulyatsiya qulayligi (tuproqning tuz tarkibini o'zgartirish, turli xil ozuqa moddalarini qo'shish va boshqalar) bo'yicha tajribalarni tezda o'tkazish mumkin. .) va turli mutagen omillar va patogenlarning (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 yoki, aniqrog'i, model deb ataladi.*.

* "Model genom" atamasining rus adabiyotida 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 ajratish 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. Sekvensiyalash uchun klassik yoki ierarxik texnologiya qo'llanildi: birinchi navbatda, genomning alohida kichik bo'limlari o'rganildi, ulardan kattaroq bo'limlar (kontiglar) tuzilgan va oxirgi bosqichda alohida xromosomalarning tuzilishi. Arabidopsis genomining yadro DNKsi beshta xromosomaga taqsimlangan. 1999 yilda ikkita xromosomaning ketma-ketligi natijalari e'lon qilindi va qolgan uchtasining birlamchi tuzilishi haqidagi ma'lumotlarning matbuotda paydo bo'lishi butun genomning ketma-ketligini yakunladi.

125 million tayanch juftlikdan 119 million asosiy strukturasi aniqlangan, bu butun genomning 92 foizini tashkil qiladi. Qayta takrorlanuvchi DNK segmentlarining 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 nuqtai nazaridan, Arabidopsis bir hujayrali xamirturush organizmi bilan birga eng yaxshi uchta chempionda qolmoqda. Saccharomyces cerevisiae va ko'p hujayrali organizm Caenorhabditis nafisligi(jadvalga qarang).

Arabidopsis genomida 15 000 ga yaqin individual oqsil kodlovchi genlar topilgan. Ulardan taxminan 12 000 tasi haploid (yagona) genomda ikkita nusxada bo'ladi, shuning uchun umumiy soni genlar 27 ming.Arabidopsisdagi genlar soni odam va sichqon kabi organizmlardagi genlar sonidan unchalik farq qilmaydi, lekin uning genomining hajmi 25-30 marta kichikdir. Bu holat Arabidopsisning individual genlari va uning genomining umumiy tuzilishidagi muhim xususiyatlar bilan bog'liq.

Arabidopsis genlari ixcham bo'lib, qisqa (taxminan 250 bp) kodlanmaydigan DNK segmentlari (intronlar) bilan ajratilgan bir nechta eksonlarni (oqsillarni kodlovchi hududlarni) o'z ichiga oladi. Alohida genlar orasidagi intervallar o'rtacha 4600 ta asosiy juftlikni tashkil qiladi. Taqqoslash uchun biz shuni ta'kidlaymizki, inson genlari o'nlab va hatto yuzlab ekzonlar va intronlarni o'z ichiga oladi va intergenik hududlar 10 ming tayanch juft yoki undan ko'p o'lchamlarga ega. Kichik ixcham genomning mavjudligi Arabidopsisning evolyutsion barqarorligiga hissa qo'shgan deb taxmin qilinadi, chunki uning DNKsi kamroq darajada turli xil zarar etkazuvchi vositalar, xususan, virusga o'xshash takrorlanuvchi DNK parchalarini (transpozonlarni) kiritish uchun nishonga aylandi. genomga kiradi.

Arabidopsis genomining boshqa molekulyar xususiyatlari qatorida ekzonlar hayvonlar genlariga nisbatan guanin va sitozin (eksonlarda 44% va intronlarda 32%) bilan boyitilganligini, shuningdek, ikki marta takrorlanadigan (duplikatsiya qilingan) genlarning mavjudligini taʼkidlash lozim. Taxminlarga ko'ra, bunday ikkilanish bir vaqtning o'zida to'rtta hodisa natijasida sodir bo'lgan, ular Arabidopsis genlarining bir qismining ikkilanishi (takrorlanishi) yoki tegishli genomlarning sintezidan iborat. 100-200 million yil oldin sodir bo'lgan bu hodisalar o'simlik genomlariga xos bo'lgan poliploidizatsiya (organizmdagi genomlar sonining bir necha marta ko'payishi) umumiy tendentsiyasining ko'rinishidir. Biroq, ba'zi faktlar shuni ko'rsatadiki, Arabidopsisdagi takrorlangan genlar bir xil emas va boshqacha ishlaydi, bu ularning tartibga soluvchi hududlaridagi mutatsiyalar bilan bog'liq bo'lishi mumkin.

Rays to'liq DNK ketma-ketligining yana bir ob'ektiga aylandi. 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 katta iqtisodiy ahamiyatga ega bo'lib, insoniyatning yarmidan ko'pi uchun oziq-ovqatning asosi hisoblanadi, shuning uchun nafaqat milliardlab iste'molchilar, balki uni ishlab chiqarishning juda mashaqqatli jarayonida faol ishtirok etadigan ko'p millionli odamlar armiyasi ham mavjud. etishtirish uning xususiyatlarini yaxshilashdan hayotiy manfaatdor.

Ba'zi tadqiqotchilar 1980-yillardayoq guruch genomini o'rganishni boshladilar, ammo bu tadqiqotlar jiddiy miqyosga faqat 1990-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 guruchning kichik turlaridan birini ketma-ketlashtirishga o'z kuchlarini jamlashga qaror qilishdi ( Oriza satijaponika), o'sha vaqtga qadar o'rganishda sezilarli yutuqlarga erishilgan. Bunday ish uchun jiddiy rag'bat va, majoziy ma'noda, yo'l ko'rsatuvchi yulduz "Inson genomi" dasturi bo'ldi.

Ushbu dastur doirasida xalqaro konsorsium ishtirokchilari guruch genomini ochishda foydalangan genomning “xromosomali” ierarxik bo‘linish strategiyasi sinovdan o‘tkazildi. Ammo, agar inson genomini o'rganishda turli xil usullar yordamida alohida xromosomalarning fraktsiyalari ajratilgan bo'lsa, u holda guruchning individual xromosomalari va ularning alohida hududlari uchun xos bo'lgan material lazer mikrodiseksiyasi (mikroskopik ob'ektlarni kesish) yo'li bilan olingan. Guruch xromosomalari joylashgan mikroskop slaydida lazer nurlari ta'sirida hamma narsa yonib ketadi, xromosoma yoki uning tahlil qilish uchun rejalashtirilgan bo'limlaridan tashqari. Qolgan material klonlash va sekvensiyalash uchun ishlatiladi.

Ierarxik texnologiyaga xos bo'lgan yuqori aniqlik va batafsillik bilan olib borilgan guruch genomining alohida bo'laklarini ketma-ketlashtirish natijalari bo'yicha ko'plab ma'ruzalar 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 tadqiqotda keng qo'llaniladi, deb ishonilgan. boshqa o'simliklarning genomikasi.

Biroq, 2002 yil boshida ikkita tadqiqot guruhi - biri Xitoydan, ikkinchisi Shveytsariya va Qo'shma Shtatlardan - umumiy klonlash texnologiyasidan foydalangan holda amalga oshirilgan guruch genomining to'liq loyihasi (taxminiy) sekvensiyasi natijalarini nashr etdi. Bosqichli (ierarxik) tadqiqotdan farqli o'laroq, umumiy yondashuv virusli yoki bakterial vektorlardan birida butun genomik DNKni bir vaqtning o'zida klonlash va turli xil genomlarni o'z ichiga olgan muhim (o'rta va katta genomlar uchun juda katta) sonli individual klonlarni olishga asoslangan. DNK segmentlari. Ushbu ketma-ket bo'limlarni tahlil qilish va DNKning bir xil terminal bo'limlarini bir-biriga moslashtirish asosida kontig hosil bo'ladi - birlashtirilgan DNK ketma-ketliklari zanjiri. Umumiy (jami) kontig butun genomning yoki hech bo'lmaganda individual xromosomaning asosiy tuzilishidir.

Bunday sxematik taqdimotda umumiy klonlash strategiyasi oddiy 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 kerak, deb qabul qilinadi), katta miqdordagi ketma-ketlik va juda katta bioinformatika bo'yicha mutaxassislarning ishtirokini talab qiladigan o'rnatish klonlarining murakkab ishi. Umumiy klonlash uchun jiddiy to'siq - bu takrorlanuvchi DNK segmentlarining xilma-xilligi bo'lib, ularning soni, yuqorida aytib o'tilganidek, genom hajmining oshishi bilan keskin ortadi. Shu sababli, umumiy ketma-ketlik strategiyasi asosan viruslar va mikroorganizmlar genomlarini o'rganishda qo'llaniladi, garchi u ko'p hujayrali organizm Drosophila genomini o'rganishda muvaffaqiyatli ishlatilgan.

Ushbu genomning umumiy ketma-ketligi natijalari Drosophilani deyarli 100 yillik o'rganish 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 yaqin bo'lishiga qaramay - mos ravishda 180 million va 125 million tayanch juft. . Shuning uchun yaqinda Drosophila genomini sekvensiyalashda foydalanilgan aralash texnologiyani nomlash taklif qilindi.

Guruch genomini ketma-ketlashtirish uchun yuqorida aytib o'tilgan tadqiqot guruhlari uning 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 mos keladi, lekin ko'p jihatdan farq qiladi. Shunday qilib, ikkala guruh vakillari genomning taxminan 92-93% ga kontiglar bilan mos kelishini ta'kidladilar. Guruch genomining 42% ga yaqini 20 ta tayanch juftlikdan iborat qisqa DNK takrorlanishi bilan ifodalanganligi va mobil DNK elementlarining (transpozonlarning) aksariyati genlararo hududlarda joylashganligi ko'rsatilgan. Biroq, guruch genomining kattaligi haqidagi ma'lumotlar sezilarli darajada farq qiladi.

Yapon kenja turi uchun genom hajmi 466 million tayanch juft, hind kenja turi uchun esa 420 million deb belgilangan.Bu nomuvofiqlikning sababi aniq emas. Bu genomlarning kodlanmaydigan qismining hajmini aniqlashda turli xil uslubiy yondashuvlarning natijasi bo'lishi mumkin, ya'ni ishlarning haqiqiy holatini aks ettirmaydi. Ammo o'rganilayotgan genomlar hajmida 15% farq bor bo'lishi mumkin.

Ikkinchi asosiy tafovut topilgan genlar sonida aniqlandi: yapon kenja turi uchun 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 emasligi va nomuvofiqligi e'lon qilingan maqolalarga sharhlarda qayd etilgan. Bu erda guruch genomi haqidagi bilimlardagi bo'shliqlar "qo'pol ketma-ketlik" ma'lumotlarini Xalqaro guruch genomi loyihasi ishtirokchilari tomonidan o'tkazilgan batafsil, ierarxik ketma-ketlik natijalari bilan solishtirish orqali bartaraf etilishiga umid bildirilgan.

Qiyosiy VA FUNKSIONAL O'SIMLAR 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). ) Arabidopsis genomida hali topilmagan. Shu bilan birga, guruch genomida birlamchi tuzilishi boshqa don ekinlari uchun aniqlangan genlarning 98 foizi topilgan.

Guruch va Arabidopsisdagi genlar soni o'rtasidagi sezilarli (deyarli ikki baravar) tafovut hayratlanarli. Shu bilan birga, umumiy sekvensiya yordamida olingan guruch genomini dekodlash loyihasi ma'lumotlari guruch genomini ierarxik klonlash va sekvensiyalash usuli bilan o'rganishning keng ko'lamli natijalari bilan deyarli taqqoslanmaydi, ya'ni nima bor Drosophila genomiga nisbatan qilingan ishlar amalga oshirilmagan. Shu sababli, Arabidopsis va guruchdagi genlar sonidagi farq ishlarning haqiqiy holatini aks ettiradimi yoki metodologik yondashuvlardagi farq bilan izohlanadimi, noaniq bo'lib qolmoqda.

Arabidopsis genomidan farqli o'laroq, guruch genomidagi egizak genlar haqida ma'lumotlar berilmagan. Ularning nisbiy miqdori guruchda Arabidopsisga qaraganda yuqori 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 tuzilishining batafsil tasviri olingandan so'ng, bu masala bo'yicha ko'proq aniqlik 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, batafsil ketma-ketlik haqida ma'lumotlar paydo bo'lganligi bunday umid uchun jiddiy asoslardir. uning 1 va 4 xromosomalari.

O'simliklardagi genlar sonini hech bo'lmaganda taxminan bilish, solishtirma o'simliklar genomikasi uchun muhim ahamiyatga ega. Dastlab, barcha gulli o'simliklar o'zlarining fenotipik xususiyatlariga ko'ra bir-biriga juda yaqin bo'lganligi sababli, ularning genomlari ham o'xshash bo'lishi kerak deb hisoblangan. Va agar biz Arabidopsis genomini o'rgansak, biz boshqa o'simliklar genomlarining aksariyati haqida ma'lumotga ega bo'lamiz. Ushbu taxminning bilvosita tasdig'i sichqoncha genomini ketma-ketlashtirish natijalari bo'lib, u inson genomiga hayratlanarli darajada yaqin (30 mingga yaqin gen, ulardan faqat 1 mingtasi boshqacha bo'lib chiqdi).

Taxmin qilish mumkinki, Arabidopsis va guruch genomlari o'rtasidagi farqlarning sababi ularning o'simliklarning turli sinflariga - dikot va monokotlarga mansubligidadir. Bu masalaga oydinlik kiritish uchun boshqa bir pallali o'simliklarning hech bo'lmaganda 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 ancha kichik. Makkajo'xorining ozuqaviy qiymati hammaga ma'lum.

Arabidopsis va guruch genomlarini ketma-ketlashtirish natijasida olingan keng material asta-sekin qiyosiy genomika yordamida o'simliklar 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, ularni aniqlashga imkon beradi. umumiy xususiyatlar genlarning tuzilishi va ularning tartibga soluvchi hududlari, xromosomaning funktsional faol (gen) qismi va oqsillarni kodlamaydigan turli intergenik DNK hududlari nisbatini ko'rib chiqish. Qiyosiy genetika inson funksional genomikasini rivojlantirish uchun ham tobora muhim ahamiyat kasb etmoqda. Qiyosiy tadqiqotlar uchun pufferfish va sichqoncha genomlarini ketma-ketlashtirish amalga oshirildi.

Tananing o'ziga xos funktsiyalarini belgilaydigan individual oqsillarni sintez qilish uchun mas'ul bo'lgan individual genlarni o'rganish ham bir xil darajada muhimdir. Inson genomi dasturining amaliy, birinchi navbatda tibbiy ahamiyati alohida genlarning ochilishi, ajratilishi, ketma-ketligi va funktsiyalarini aniqlashdadir. Bu holatni bir necha yil avval J.Uotson qayd etib, inson genomi dasturi barcha inson genlarining funksiyalari aniqlangandagina yakunlanishini ta'kidlagan edi.

Guruch. to'rtta. Arabidopsis genlarining vazifasiga ko'ra tasnifi

1 - o'sish, bo'linish va DNK sintezi uchun genlar; 2 - RNK sintezi genlari (transkripsiya); 3 - oqsillarni sintez qilish va modifikatsiyalash 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 genlari; 7 - boshqa hujayra jarayonlarini ta'minlash uchun genlar; 8 - noma'lum funktsiyaga ega genlar

O'simlik genlarining funktsiyasiga kelsak, 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, hayvonlarga xos bo'lgan genlarga qo'shimcha ravishda, o'simliklar faqat o'ziga xos (yoki hech bo'lmaganda asosan) ko'p sonli genlarga ega. Bu haqida suvni tashishda va hayvonlarda mavjud bo'lmagan hujayra devorining sintezida ishtirok etadigan genlar, xloroplastlarning shakllanishi va ishlashini ta'minlaydigan genlar, fotosintez, azot fiksatsiyasi va ko'plab aromatik mahsulotlar sintezi haqida. Ushbu ro'yxatni davom ettirish mumkin, ammo o'simliklarning funktsional genomikasi qanday qiyin vazifaga duch kelayotgani allaqachon aniq.

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

Funktsional genomikaning eng istiqbolli yondashuvlaridan biri mRNKni transkripsiyasi (o'qish) uchun ishlatiladigan ishchi genlarni aniqlashga asoslangan. Ushbu yondashuv, shu jumladan zamonaviy texnologiya mikroarraylar, 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 ga yaqin ishchi genlarni aniqlash mumkin edi, ular ham o'sish va ildiz hosil bo'lish jarayonlarini, ham kartoshka kasalligi jarayonlarini tushunish uchun muhimdir. Bu bilim eng muhim oziq-ovqat mahsulotlaridan birining patogenlarga chidamliligini oshiradi, deb taxmin qilinadi.

Funktsional genomikaning mantiqiy rivojlanishi proteomika edi. Ushbu yangi fan sohasi proteomani o'rganadi, bu odatda ma'lum bir vaqtda hujayradagi oqsillarning to'liq to'plami sifatida tushuniladi. Genomning funktsional holatini aks ettiruvchi bunday oqsillar to'plami doimo o'zgarib turadi, genom esa o'zgarishsiz qoladi.

Oqsillarni o'rganish uzoq vaqtdan beri o'simlik genomlarining faolligini baholash uchun ishlatilgan. Ma'lumki, barcha o'simliklarda mavjud bo'lgan fermentlar aminokislotalarning ketma-ketligi bo'yicha alohida tur va navlarda farqlanadi. Bir xil funktsiyaga ega, lekin alohida aminokislotalarning ketma-ketligi boshqacha 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 narsalarni, 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 ozuqaviy xususiyatlarini belgilovchi saqlash oqsillari (prolaminlar, gliadinlar va boshqalar) spektrlarini bevosita o‘rganish qishloq xo‘jaligi o‘simliklarining genetik tahlili, seleksiyasi va urug‘chiligining muhim va ishonchli usuli 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 ajoyib muvaffaqiyatlar atrof-muhit va tibbiyot hamjamiyatining noaniq reaktsiyasini keltirib chiqarmoqda. Biroq, o'simlik biotexnologiyasining bir sohasi mavjudki, bu qo'rquvlar, agar mutlaqo asossiz bo'lmasa, har qanday holatda ham unchalik ahamiyatga ega emas. Gap oziq-ovqat mahsulotlari sifatida ishlatilmaydigan transgen sanoat korxonalarini yaratish haqida bormoqda. Hindiston yaqinda 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 muhandislik ob'ekti bo'lishi mumkin bo'lgan boshqa sanoat ekinlari zig'irdir. Toʻqimachilik xomashyosi sifatida paxtaga muqobil sifatida foydalanish yaqinda muhokama qilindi. O‘z paxta xomashyosini yo‘qotgan 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 genomikasini rivojlantirishda, shubhasiz, ertami-kechmi boshqa o'simliklar genomlarining umumiy (qo'pol) ketma-ketligi bilan ta'minlanadigan 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 genomikasiga emas, balki alohida xromosomalarning selektiv genomikasiga e'tibor qaratamiz. Masalan, yaqinda ma'lum bo'ldiki, vernalizatsiya uchun mas'ul bo'lgan gen geksaploid bug'doy 5A xromosomasining VRn-AI joyida va guruch xromosomasi 3 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-ketlashtirish uchun kuchli turtki bo'ladi. O'simliklarda ishlaydigan genlarni ommaviy aniqlash (skrining) asosida funktsional genomikadan tobora ko'proq foydalaniladi.

Biz xromosoma texnologiyalarini, birinchi navbatda, mikrodiseksiya usulini yanada takomillashtirishni taxmin qilishimiz mumkin. Uning ishlatilishi genom tadqiqotlari imkoniyatlarini keskin kengaytiradi, masalan, umumiy genom ketma-ketligi kabi katta xarajatlarni talab qilmaydi. Gibridizatsiya yordamida individual genlarning o'simliklarining xromosomalarida lokalizatsiya usuli yanada 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.

Xromosoma texnologiyalari yaqin kelajakda o'simliklarning evolyutsion genomikasi uchun katta ahamiyatga ega bo'ladi. Bu nisbatan arzon texnologiyalar tur ichidagi va turlararo oʻzgaruvchanlikni tezkor baholash, tetraploid va geksaploid bugʻdoy, tritikale kompleks allopoliploid genomlarini oʻrganish imkonini beradi; xromosoma darajasida evolyutsiya jarayonlarini tahlil qilish; sintetik genomlarning shakllanishini va begona genetik materialning kiritilishini (introgressiyasini) o'rganish; individual xromosomalar orasidagi genetik aloqalarni aniqlash har xil turlari.

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. Nihoyat, differensial bo'yash usullarini qo'llamasdan xromosomalarning qayta tuzilishi (aberratsiyalar, ko'priklar) soni va spektrlarini qanday baholash mumkinligini tasavvur qilish qiyin. Bunday tadqiqotlar atrof-muhitni o'simlik genomining holatini kuzatish uchun juda istiqbolli.

DA zamonaviy Rossiya o'simlik genomlarining to'g'ridan-to'g'ri ketma-ketligi dargumon. Katta sarmoyalarni talab qiladigan bunday ishlar bugungi iqtisodiyotimizning kuchidan ham ustundir. Shu bilan birga, jahon ilm-fani tomonidan olingan va xalqaro ma'lumotlar banklarida mavjud bo'lgan Arabidopsis va sholi genomlari tuzilishi haqidagi ma'lumotlar mahalliy o'simlik genomikasini rivojlantirish uchun etarli. Selektsiya va o'simlikchilikning aniq muammolarini hal qilish, shuningdek, katta iqtisodiy ahamiyatga ega bo'lgan turli xil o'simlik turlarining kelib chiqishini o'rganish uchun qiyosiy genomik yondashuvlar asosida o'simliklar genomlarini o'rganish kengayishini oldindan ko'rish mumkin.

Bizning byudjetimiz uchun ancha qulay bo'lgan genetik tiplash (RELF, RAPD, AFLP tahlillari va boshqalar) kabi genomik yondashuvlar mahalliy naslchilik amaliyotida va o'simlikchilikda keng qo'llanilishini taxmin qilish mumkin. DNK polimorfizmini aniqlashning to'g'ridan-to'g'ri usullari bilan bir qatorda, genetika va o'simliklar seleksiyasi muammolarini hal qilishda oqsil polimorfizmini, birinchi navbatda, donning saqlash oqsillarini o'rganishga asoslangan yondashuvlar qo'llaniladi. Xromosoma texnologiyalari keng qo'llaniladi. Ular nisbatan arzon, ularning rivojlanishi juda mo''tadil investitsiyalarni talab qiladi. Xromosomalarni o'rganish 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 o'simliklar genomikasida A.N.ning kashshof hissasi. 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.

Yana bir klassik rus fani G.A. Levitskiy (1878-1942) javdar, bug’doy, arpa, no’xat va qand lavlagining xromosomalarini batafsil tavsiflab, fanga “kariotip” 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 samimiy minnatdorchilik bildiradi. Altuxovga maqolaning tanqidiy muhokamasi va qimmatli maslahatlari uchun.
Maqola muallifi boshchiligidagi jamoaning ishi Rossiya fundamental tadqiqotlar jamg'armasi tomonidan qo'llab-quvvatlandi (grantlar № 99-04-48832; 00-04-49036; 00-04-81086), Rossiya Federatsiyasi ilmiy maktablarni qo'llab-quvvatlash uchun (grantlar No 00-115-97833 va NSh-1794.2003.4) va Dastur Rossiya akademiyasi“Selektsiya va urug‘chilikning zamonaviy usullarini ishlab chiqishda molekulyar genetik va xromosoma belgilari” fanlari.

ADABIYOT

1. Zelenin A.V., Badaeva E.D., Muravenko O.V. O'simliklar genomikasiga kirish // Molekulyar biologiya. 2001. V. 35. S. 339-348.

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

3. O'simliklar genomikasi, Proc. Natl. akad. fan. 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 takrorlanuvchi DNK ketma-ketliklarining tarqalishi, Genom. 1996. V. 39. B. 293-306.

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

05.09.2011 09:36 da Limarev dedi:

Limarev V.N.

Inson genomini dekodlash.

L.G. kitobidan parcha. Puchko: "Insonning radietik bilimi"

Genomni dekodlash muammolarini hal qilish uchun milliardlab dollarlik byudjet bilan “Inson genomi” xalqaro loyihasi tashkil etildi.

2000 yilga kelib, inson genomining xaritasi amalda tugallandi. Genlar hisoblangan, aniqlangan va ma'lumotlar bazalarida qayd etilgan. Bu juda katta hajmdagi ma'lumotlar.

Inson genomini raqamlashtirilgan shaklda yozish uchun taxminan 300 terabayt kompyuter xotirasi kerak bo'ladi, bu 100 gigabayt sig'imga ega 3000 qattiq diskka teng.

Bu chiqdi. Biror kishi ilgari o'ylanganidek, yuz minglab emas, balki 30 mingdan bir oz ko'proq genlarga ega. Pashshada Drosophila bor, ularning yarmi ko'p - taxminan 13 ming, sichqon esa odam bilan deyarli bir xil. Dekodlangan genomda odamlarga xos bo'lgan genlar atigi 1% ni tashkil qiladi. Ma'lum bo'lishicha, DNK spiralining ko'p qismini genlar emas, balki "bo'sh bo'limlar" egallagan bo'lib, ularda genlar shunchaki kodlanmagan, shuningdek, birin-ketin takrorlanadigan qo'sh bo'laklar, ma'no va ma'no. qaysi biri aniq emas.

Bir so'z bilan aytganda, genlar hatto hayotning g'ishtlari ham emas, balki faqat organizmning qurilishi qurilgan rejaning elementlari bo'lib chiqdi. G'ishtlar, boshqa narsalarda bo'lgani kabi, genetikaning gullab-yashnashidan oldin ham, oqsillardir.

Odamlarga xos bo'lgan genlarning 1 foizida odamlarni sichqonlardan ajratib turadigan bunday katta hajmdagi ma'lumotlarni kodlash mumkin emasligi aniq bo'ldi. Barcha ma'lumotlar qayerda saqlanadi? Ko'pgina olimlar uchun ilohiy tamoyilsiz inson tabiatini tushuntirish mumkin emasligi shubhasiz haqiqatga aylanadi. Bir qator olimlarning fikriga ko'ra, inson tanasi haqidagi mavjud g'oyalar doirasida, asosan, inson genomini ochish mumkin emas.

Dunyo ma'lum emas - bu bilish mumkin (maqoladagi sharhlarim).

1) Bir parchani ko'rib chiqing: "Ilohiy printsipsiz insonning tabiatini tushuntirish mumkin emas".

Yuqoridagi ma'lumotlar bu haqda hech narsa aytmaydi.

Darhaqiqat, genom ilgari o'ylangandan ko'ra murakkabroq tuzilishga ega.

Ammo, oxir-oqibat, maqolada aytib o'tilgan kompyuter faqat xotira hujayralaridan iborat emas.

Kompyuter ikkita xotiraga ega: uzoq muddatli va operatsion, shuningdek, ma'lumotlar qayta ishlanadigan protsessor. Axborotni va elektromagnit maydonni qayta ishlashda ishtirok etadi. Genom ma'lumotlarini dekodlash uchun uning qanday sodir bo'lishini, nafaqat ma'lumotni saqlash, balki uni qayta ishlashni ham tushunish kerak. Bundan tashqari, ma'lumotlarning bir qismi tomonidan saqlangan degan fikrni tan olaman elektromagnit maydon. Va shuningdek, odamdan tashqari, men allaqachon yozganimdek, Oliy Aqlning maxsus axborot markazlarida.

Tasavvur qiling-a, Morze kodining 0 yoki 1 ikkilik kodida kodlangan uzluksiz matn qaysi tilda (ingliz yoki frantsuz ....) yozilganligini bilmasangiz va bu uzluksiz matn so'zlardan, jumlalardan iboratligini bilmaysiz. , paragraflar, boblar, jildlar, javonlar, shkaflar va boshqalar.

Biologiyada bu deyarli bir xil, bu erda faqat hamma narsa to'rt xonali kod bilan kodlangan va biz hozirgacha elementar genlarning tartibini + - / * shifrladik, lekin biz tilni bilmaymiz va shunga mos ravishda so'zlar, jumlalar, paragraflar, boblar, jildlar, javonlar, kabinetlar va boshqalar. Biz uchun shifrlangan genom hali ham 4 ta donli kodning mustahkam matni bo'lib, uni to'liq o'rganish deyarli mumkin emas.

Ammo ma'lum bo'lishicha, ma'lum vaqtlarda (individda ham, uning avlodlar guruhida ham, turda, jinsda ham) ba'zi genlar va ularning komplekslari (so'zlar, jumlalar, paragraflar, boblar, jildlar, javonlar, shkaflar va boshqalar uchun javobgardir. ) faol , evolyutsiyaning boshqa davrlarida esa ular passiv bo'lib, men bilvosita turli xil poligenik belgilar bilan aniqlangan (bu "Evolyutsiyaning universal davriy qonuni" mavzusida ko'rsatilgan).

Hozirgacha genlarni o'rganishning ikkita usuli mavjud, bu namunadagi genlar (DNK) yig'indisini oddiy laboratoriya hisobi va ishlab chiqarilgan RNK miqdorini hisoblaydigan qurilma mavjud. yaratilgan elektron chipga yopishib qolgan o'ziga xos DNK, lekin juda katta miqdordagi DNK har daqiqada faol bo'lgani va shunga mos ravishda RNK orqali juda ko'p miqdordagi turli xil oqsillar ishlab chiqarilganligi sababli, "bu noodleni qoshiq, vilkalar va yapon tayoqchalari bilan" ajratish juda qiyin. bu sho'rvada va o'zingiz izlayotgan narsani toping - ma'lum bir DNK (DNK kompleksi sifatida) va uning poligenik xususiyatga ta'siri o'rtasidagi sababiy munosabatlarni toping.

Ko'rinishidan, men DNK, RNK va ularning oqsillarini poligenik xususiyat darajasini aniqlaydigan bu sho'rvani qanday saralashning oddiy usulini topdim.

Ma'lum bo'lishicha, individning evolyutsiyasi tartibidagi har bir poligen xususiyat (avlodlar, turlar va jinslar kogortasi) davriydir, shuning uchun ular RNK va DNK faolligida davriy bo'lishi kerak, shuning uchun faqat (birinchi navbatda) topish kerak. genetik tafsilotlarga o'tish) poligen xususiyatdagi metrik o'zgarish (individda, avlodlar kogortasida, turda, jinsda...) va bu davrlarga mutanosib bo'lgan RNK, DNKning tegishli faolligi o'rtasidagi bog'liqlik.

) 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-manipulyator" yoki "chivinlar xo'jayini" deb ataladi (chunki u hasharotlar hujayralarida yashaydi).

Tadqiqot JCVI xodimi Julie Dunning-Hotopp ba'zi Wolbachia genlari Drosophila genlari bilan xuddi bir genomning bir qismi kabi "hamkorlik qilishini" aniqlaganida boshlandi.

Maykl Klark - Rochester universiteti tadqiqotchisi - koloniyaga joylashdi Drosophila ananassae Uorren bilan sirni aniqlash uchun laboratoriyada.

Drosophila genomidagi Wolbachia geni (Rochester universiteti tomonidan tasvirlangan).

"Bir necha oy davomida men nimadir haqida noto'g'ri deb o'yladim, - deydi Klark, - men hatto antibiotiklarga qarshilik paydo bo'lgan deb taxmin qildim, chunki men har bir Wolbachia genini qayta-qayta topdim. Nihoyat bir necha oy oldin yolg'iz qoldirgan ro'molchalarni olib, Volbaxiyaning o'zini topolmadim.

Endi Uorren va Klark Drozofila uchun DNKning bunday katta qismini joylashtirishning afzalligi nimada ekanligini aniqlashga harakat qilmoqda - ehtimol, "begona" genlar uy egasiga qandaydir yangi imkoniyatlar beradi.

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

Tadqiqot natijalari Science jurnalidagi maqolada chop etildi. Unda mualliflar bizning dunyomizdagi bakteriyalar va ko'p hujayrali organizmlar o'rtasida gorizontal gen o'tkazilishi (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 insonga tirik organizmlarga va umuman tabiatga ta'sir qilishning yangi kuchli vositalarini beradi.

Biroq, barcha hasharotlar Wolbachia ning yomon ta'siriga duchor bo'lmaydi. Misol uchun, Samoa orollaridan kelgan kapalaklar erkaklarini himoya qilishni "o'rgangan". Qiziq, ular bu bakteriyani yuqtirmoqchi bo'lgan bezgak chivinlari unga qarshi kurashishni o'rganadimi?

DNK tuzilishi kashf etilganining 50 yilligiga

A.V. Zelenin

O'SIMLAR GENOMASI

A. V. Zelenin

Zelenin Aleksandr Vladimirovich- d.b.n.,
molekulyar biologiya instituti laboratoriya mudiri. V.A. Engelxardt RAS.

Qo'shma Shtatlar o'simlik genomlarini keng ko'lamli o'rganishda shubhasiz etakchi bo'lib qolmoqda, garchi guruch genomini intensiv o'rganish 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 "Genomikdan keyingi davrda genomikaning istiqbollari" muhim sarlavhasi ostidagi yig'ilishda 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-o'n besh yil ichida) aholi sonining ko'payishi insoniyatni umumiy inqirozga duchor qilishiga tahdid soladi. oziq-ovqat inqirozi, Yevropa iqtisodiyoti va ilm-fan Amerika texnologiyasiga qaram bo'lib qoladi. Shu munosabat bilan oʻsimlik genomlarini oʻrganish boʻyicha Franko-Germaniya ilmiy dasturi (“Plantgene”) yaratilishi eʼlon qilindi va unga katta miqdorda sarmoya kiritildi.

O'SIMLAR GENOMLARINI O'RGANISHDAGI QIYINCHILIKLAR

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

alohida o'simlik turlari uchun o'nlab va hatto yuzlab milliard tayanch juftliklarga (bp) yetadigan ulkan genom o'lchamlari: asosiy iqtisodiy ahamiyatga ega o'simliklarning genomlari (guruch, zig'ir va paxtadan tashqari) inson genomiga yaqin yoki kattaligi bo'yicha. undan ko'p marta oshib ketish (jadval);
Turli o'simliklardagi xromosomalar sonining keskin o'zgarishi - ba'zi turlarda ikkitadan, boshqalarida bir necha yuztagacha, genomning kattaligi 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) (alpoliploidiya);
O'simlik genomlarini (99% gacha) "ahamiyatsiz" (kodlanmagan, ya'ni genlarni o'z ichiga olmaydi) DNKning haddan tashqari boyitishi, bu ketma-ket bo'lgan qismlarni umumiy kattalikka joylashtirishni (to'g'ri tartibda joylashtirishni) sezilarli darajada murakkablashtiradi. o'lchamli DNK hududi (kontig);
Xromosomalarning to'liq bo'lmagan (drozofila, 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 (oqimda saralash va hujayra duragaylaridan foydalanish);
Gibridizatsiya yordamida individual genlarning xromosoma xaritasini (xromosomada joylashishini aniqlash) qiyinligi joyida, ham o'simlik genomlarida "ahamiyatsiz" DNKning yuqori miqdori, ham o'simlik xromosomalarining strukturaviy tashkil etilishining o'ziga xos xususiyatlari tufayli;
O'simliklarning hayvonlardan evolyutsion uzoqligi, bu o'simlik genomlarini o'rganish uchun odamlar va boshqa hayvonlarning genomlarini ketma-ketlashtirish orqali olingan ma'lumotlardan foydalanishni jiddiy ravishda murakkablashtiradi;
Ko'pgina o'simliklarning ko'payishining uzoq jarayoni, bu ularning genetik tahlilini sezilarli darajada sekinlashtiradi.

GENOMLARNING XROMOSOMAL TADQIQATLARI

Umuman genomlar va xususan o‘simliklarning xromosoma (sitogenetik) tadqiqotlari uzoq tarixga ega. "Genom" atamasi 20-asrning birinchi choragida, ya'ni DNKning genetik tashuvchi sifatidagi roli paydo bo'lishidan ancha oldin, ulardagi genlarga ega bo'lgan gaploid (yagona) xromosomalar to'plamiga nisbatan taklif qilingan. ma `lumot.

Xromosoma tadqiqotlari boshlanishida, turlararo duragaylardagi meiotik konjugatsiya (homolog xromosomalar assotsiatsiyasi) tahlili asosida tegishli o'simlik turlarining genomlari taqqoslandi. So'nggi 100 yil ichida xromosomalarni tahlil qilish imkoniyatlari keskin kengaydi. Endi o'simliklar genomlarini tavsiflash uchun yanada ilg'or texnologiyalar qo'llaniladi: morfologik xususiyatlar bo'yicha individual xromosomalarni aniqlash imkonini beradigan differentsial bo'yashning turli xil variantlari; 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. bitta. Don kariotiplari a - javdar (14 xromosoma), b - qattiq bug'doy (28 xromosoma), c - yumshoq bug'doy (42 xromosoma), d - arpa (14 xromosoma)

Ko'p yillar davomida donli ekinlarning, birinchi navbatda, bug'doy va javdarning kariotiplari o'rganildi. Qizig'i shundaki, bu o'simliklarning turli turlarida xromosomalar soni har xil, lekin har doim yetti marta ko'payadi. Donning alohida turlarini ularning karyotipi bo'yicha ishonchli tarzda tanib olish 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. A, B va D deb atalgan alohida bug'doy 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 aks etadi: qattiq yoki makaron, bug'doy va yumshoq yoki non, bug'doy . Kleykovina oqsillari genlarini o'z ichiga olgan D geni xamirga urug'lanish deb ataladigan xususiyatni beradi, yumshoq bug'doyning yuqori pishirish xususiyatlariga ega bo'lishi uchun javobgardir. 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 hisoblanadi.

Guruch. 2. Bug'doyning kariotiplari va bug'doyning Aegilops bilan duragaylari

a - geksaploid yumshoq 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

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

* "Model genom" atamasining rus adabiyotida 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 genomida 15 000 ga yaqin individual oqsil kodlovchi genlar topilgan. Ulardan taxminan 12 000 tasi haploid (yagona) genomda ikki nusxada bo'ladi, shuning uchun genlarning umumiy soni 27 000 ga teng. Arabidopsisdagi genlar soni odam va sichqon kabi organizmlardagi genlar sonidan unchalik farq qilmaydi, lekin uning genom hajmi 25-30 marta kamroq. Bu holat Arabidopsisning individual genlari va uning genomining umumiy tuzilishidagi muhim xususiyatlar bilan bog'liq.

Qiyosiy VA FUNKSIONAL O'SIMLAR GENOMIKASI

Arabidopsis va guruch genomlarini ketma-ketlashtirish natijasida olingan keng material asta-sekin qiyosiy genomika yordamida o'simliklar 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 hududlari tuzilishining umumiy xususiyatlarini aniqlashga va ko'rib chiqishga imkon beradi. xromosomaning funktsional faol (gen) qismi va oqsillarni kodlamaydigan turli intergenik DNK mintaqalarining nisbati. Qiyosiy genetika inson funksional genomikasini rivojlantirish uchun ham tobora muhim ahamiyat kasb etmoqda. Qiyosiy tadqiqotlar uchun pufferfish va sichqoncha genomlarini ketma-ketlashtirish amalga oshirildi.

Guruch. to'rtta. Arabidopsis genlarining vazifasiga ko'ra tasnifi

1 - o'sish, bo'linish va DNK sintezi uchun genlar; 2 - RNK sintezi genlari (transkripsiya); 3 - oqsillarni sintez qilish va modifikatsiyalash 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 genlari; 7 - boshqa hujayra jarayonlarini ta'minlash uchun genlar; 8 - noma'lum funktsiyaga ega genlar

O'simlik genlarining funktsiyasiga kelsak, 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, hayvonlarga xos bo'lgan genlarga qo'shimcha ravishda, o'simliklar faqat o'ziga xos (yoki hech bo'lmaganda asosan) ko'p sonli genlarga ega. Biz hayvonlarda mavjud bo'lmagan suvni tashish va hujayra devorining sintezida ishtirok etadigan genlar, xloroplastlarning shakllanishi va ishlashini, fotosintezni, azot fiksatsiyasini va ko'plab aromatik mahsulotlar sintezini ta'minlaydigan genlar haqida ketmoqda. Ushbu ro'yxatni davom ettirish mumkin, ammo o'simliklarning funktsional genomikasi qanday qiyin vazifaga duch kelayotgani allaqachon aniq.

Funktsional genomikaning eng istiqbolli yondashuvlaridan biri mRNKni transkripsiyasi (o'qish) uchun ishlatiladigan 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 ga yaqin ishchi genlarni aniqlash mumkin edi, ular ham o'sish va ildiz hosil bo'lish jarayonlarini, ham kartoshka kasalligi jarayonlarini tushunish uchun muhimdir. Bu bilim eng muhim oziq-ovqat mahsulotlaridan birining patogenlarga chidamliligini oshiradi, deb taxmin qilinadi.

O'simliklar genomlarini o'rganish istiqbollari

Xromosoma texnologiyalari yaqin kelajakda o'simliklarning evolyutsion genomikasi uchun katta ahamiyatga ega bo'ladi. Bu nisbatan arzon texnologiyalar tur ichidagi va turlararo oʻzgaruvchanlikni tezkor baholash, tetraploid va geksaploid bugʻdoy, tritikale kompleks allopoliploid genomlarini oʻrganish 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.

Zamonaviy Rossiyada o'simlik genomlarining to'g'ridan-to'g'ri ketma-ketligini amalga oshirish mumkin emas. Katta sarmoyalarni talab qiladigan bunday ishlar bugungi iqtisodiyotimizning kuchidan ham ustundir. Shu bilan birga, jahon ilm-fani tomonidan olingan va xalqaro ma'lumotlar banklarida mavjud bo'lgan Arabidopsis va sholi genomlari tuzilishi haqidagi ma'lumotlar mahalliy o'simlik genomikasini rivojlantirish uchun etarli. Selektsiya va o'simlikchilikning aniq muammolarini hal qilish, shuningdek, katta iqtisodiy ahamiyatga ega bo'lgan turli xil o'simlik turlarining kelib chiqishini o'rganish uchun qiyosiy genomik yondashuvlar asosida o'simliklar genomlarini o'rganish kengayishini oldindan ko'rish mumkin.

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

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

Molekulyar biologiya va o'simliklar genomikasida A.N.ning kashshof hissasi. Belozerskiy (1905-1972).

Rus fanining yana bir klassikasi G.A. Levitskiy (1878-1942) javdar, bug’doy, arpa, no’xat va qand lavlagining xromosomalarini batafsil tavsiflab, fanga “kariotip” 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 samimiy 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. Rossiya Federatsiyasi ilmiy maktablarni qo'llab-quvvatlash (grantlar № 00-115 -97833 va NSh-1794.2003.4) va Rossiya Fanlar akademiyasining "Selektsiya va urug'chilikning zamonaviy usullarini ishlab chiqishda molekulyar genetik va xromosoma belgilari" dasturi. .

ADABIYOT

1. Zelenin A.V., Badaeva E.D., Muravenko O.V. O'simliklar genomikasiga kirish // Molekulyar biologiya. 2001. V. 35. S. 339-348.

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

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

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

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

Sakrash genlari

O'tgan asrning o'rtalarida amerikalik tadqiqotchi Barbara Makklintok makkajo'xori tarkibida xromosomalardagi o'z pozitsiyasini mustaqil ravishda o'zgartira oladigan ajoyib genlarni topdi. Endi ular "sakrash genlari" yoki transposable (mobil) elementlar deb ataladi. Mobil elementlarni faqat makkajo'xori uchun xos bo'lgan noyob hodisa deb hisoblagan holda, kashfiyot uzoq vaqt davomida tan olinmadi. Biroq, aynan shu kashfiyot uchun 1983 yilda MakKlintok mukofotlangan Nobel mukofoti Bugungi kunda sakrash genlari deyarli barcha o'rganilgan hayvon va o'simlik turlarida topilgan.

Hoplovchi genlar qaerdan paydo bo'lgan, ular hujayrada nima qiladi, ulardan qandaydir foyda bormi? Nima uchun genetik jihatdan sog'lom ota-onalar bilan Drosophila mevali chivinlari oilasi sakrash genlari tufayli mutant avlodni yuqori chastotali yoki hatto butunlay farzandsiz bo'lishi mumkin? Evolyutsiyada sakrash genlarining roli qanday?

Aytish kerakki, hujayralar faoliyatini ta'minlaydigan genlar xromosomalarda ma'lum tartibda joylashgan. Buning yordamida bir hujayrali va ko'p hujayrali organizmlarning ko'p turlari uchun shunday deb ataladiganlarni qurish mumkin edi. genetik xaritalar. Biroq, genlar o'rtasida o'zlariga qaraganda ko'proq genetik materialning kattaligi tartibi mavjud! DNKning bu "balast" qismi qanday rol o'ynashi to'liq aniqlanmagan, ammo bu erda ko'pincha mobil elementlar topiladi, ular nafaqat o'zlarini harakatga keltiradi, balki qo'shni DNK parchalarini ham o'zlari bilan olib ketishlari mumkin.

Jumper genlari qayerdan keladi? Ularning hech bo'lmaganda ba'zilari viruslardan kelib chiqqan deb ishoniladi, chunki ba'zi mobil elementlar virusli zarralarni hosil qila oladi (masalan, meva chivinidagi lo'lilarning harakatchan elementi). Drosophila melanogaster). Ba'zi ko'chma elementlar deb ataladigan tomonidan genomda paydo bo'ladi gorizontal uzatish boshqa turlardan. Masalan, mobil telefon topildi xobo-element (rus tiliga tarjima qilingan, u tramp deb ataladi) Drosophila melanogaster ushbu turning genomiga qayta-qayta kiritilgan. DNKning ba'zi tartibga soluvchi hududlari ham avtonomiyaga va "vagratsiyaga" moyil bo'lishi mumkin degan versiya mavjud.

foydali balast

Boshqa tomondan, sakrash genlarining aksariyati, nomiga qaramay, jimgina harakat qiladilar, garchi ular umumiy genetik materialning beshdan bir qismini tashkil qiladi. Drosophila melanogaster yoki inson genomining deyarli yarmi.

Yuqorida aytib o'tilgan DNKning ortiqchaligi o'ziga xos plyusga ega: agar genomga begona DNK kiritilgan bo'lsa, ballast DNK (shu jumladan passiv harakatlanuvchi elementlar) zarba oladi. Yangi elementning foydali genga kiritilishi va shu bilan uning ishlashini buzish ehtimoli, agar muhim bo'lgandan ko'ra ko'proq hajmli DNK bo'lsa, kamayadi.

DNKning ba'zi ortiqchaligi so'zlardagi harflarning "ortiqchaligi" kabi foydalidir: biz "Mariya Ivanovna" deb yozamiz va "Marivana" deymiz. Ba'zi harflar muqarrar ravishda yo'qoladi, ammo ma'no saqlanib qoladi. Xuddi shu printsip oqsil-ferment molekulasidagi alohida aminokislotalarning ahamiyati darajasida ham ishlaydi: faqat faol markazni tashkil etuvchi aminokislotalarning ketma-ketligi qat'iy konservativdir. Shunday qilib, turli darajalarda ortiqcha tizim uchun xavfsizlik chegarasini ta'minlaydigan o'ziga xos bufer bo'lib chiqadi. Shunday qilib, harakatchanligini yo'qotgan mobil elementlar genom uchun foydasiz emas. Ular aytganidek, "nozik qo'ydan hatto bir tutam jun" bo'lsa-da, bu erda yana bir maqol mosroq bo'lar edi - "har bir chiziqda".

O'tish qobiliyatini saqlab qolgan mobil elementlar Drosophila xromosomalari bo'ylab element turiga, genetik fonga va genlarga qarab har bir avlod uchun 10-2-10-5 chastotada harakatlanadi. tashqi sharoitlar. Bu shuni anglatadiki, hujayradagi yuzta sakrash genidan bittasi keyingi hujayra bo'linishidan keyin o'z o'rnini o'zgartirishi mumkin. Natijada, bir necha avloddan so'ng, xromosoma bo'ylab transpozitsiyalanuvchi elementlarning tarqalishi juda sezilarli darajada o'zgarishi mumkin.

Drosophila lichinkalarining so'lak bezlari politenli (ko'p filamentli) xromosomalarda bunday taqsimotni o'rganish qulay. Bu xromosomalar odatdagidan ko'p marta qalinroq bo'lib, ularni mikroskop ostida tekshirishni ancha osonlashtiradi. Bu xromosomalar qanday tuzilgan? Tuprik bezlari hujayralarida xromosomalarning har birining DNKsi normal hujayra bo'linishida bo'lgani kabi ko'payadi, lekin hujayraning o'zi bo'linmaydi. Natijada bezdagi hujayralar soni o'zgarmaydi, lekin 10-11 tsiklda har bir xromosomada bir necha ming bir xil DNK zanjirlari to'planadi.

Qisman politen xromosomalari tufayli Drosophiladagi sakrash genlari boshqa metazoalarga qaraganda yaxshiroq tushuniladi. Ushbu tadqiqotlar natijasida ma'lum bo'ldiki, hatto bir xil Drosophila populyatsiyasida ham harakatlanuvchi elementlarning bir xil taqsimotiga ega bo'lgan xromosomalarga ega bo'lgan ikkita shaxsni topish qiyin. Drosophiladagi o'z-o'zidan paydo bo'ladigan mutatsiyalarning aksariyati ushbu "bunkerlar" harakati tufayli yuzaga kelgan deb hisoblash bejiz emas.

Natijalar farq qilishi mumkin...

Genomga ta'siriga ko'ra, faol transpozisiyalanuvchi elementlarni bir necha guruhlarga bo'lish mumkin. Ulardan ba'zilari genom uchun juda muhim va foydali funktsiyalarni bajaradi. Masalan, telomerik Drozofilada xromosomalarning uchlarida joylashgan DNK shunchaki maxsus harakatlanuvchi elementlardan iborat. Ushbu DNK juda muhim - uning yo'qolishi hujayra bo'linishi jarayonida butun xromosomaning yo'qolishiga olib keladi, bu esa hujayra o'limiga olib keladi.

Boshqa mobil elementlar aniq "zararkunandalar" dir. Hech bo'lmaganda ular shunday deb hisoblanadilar bu daqiqa. Masalan, R2 sinfining transpozitsiyali elementlari ribosomalarning oqsillaridan birini - oqsil sintezi uchun hujayra "fabrikalarini" kodlovchi artropod genlariga maxsus kiritilishi mumkin. Bunday kasalliklarga duchor bo'lgan odamlar faqat genomda ushbu oqsillarni kodlaydigan ko'plab genlarning faqat bir qismi buzilganligi sababli omon qoladilar.

Jinsiy hujayralarni ishlab chiqaradigan reproduktiv to'qimalarda harakatlanadigan bunday harakatlanuvchi elementlar ham mavjud. Bu turli to'qimalarda bir xil harakatlanuvchi element harakat uchun zarur bo'lgan oqsil-ferment molekulasining uzunligi va funktsiyalari bo'yicha har xil ishlab chiqarishi mumkinligi bilan izohlanadi.

Ikkinchisiga misol qilib P-elementni keltirish mumkin Drosophila melanogaster, u o'zining tabiiy populyatsiyasiga yuz yil oldin boshqa Drosophila turidan gorizontal ko'chirish orqali kirgan. Biroq, hozir Yer yuzida deyarli aholi mavjud emas. Drosophila melanogaster, unda P-element bo'lmaydi. Shu bilan birga, shuni ta'kidlash kerakki, uning nusxalarining aksariyati nuqsonli, bundan tashqari, nuqsonning bir xil versiyasi deyarli hamma joyda topilgan. Ikkinchisining genomdagi roli o'ziga xosdir: u o'z hamkasblariga "toqat qilmaydi" va ularning harakatini blokirovka qiluvchi repressor rolini o'ynaydi. Shunday qilib, Drosophila genomini "begona" ning sakrashlaridan himoya qilish qisman uning hosilalari tomonidan amalga oshirilishi mumkin.

Asosiysi, to'g'ri ota-onalarni tanlash!

Mobil elementlarning sakrashlarining aksariyati ta'sir qilmaydi ko'rinish Drosophila, chunki u balast DNKsiga tushadi, ammo ularning faolligi keskin oshganida boshqa holatlar ham mavjud.

G'alati, sakrash genlarining harakatini qo'zg'atuvchi eng kuchli omil bu noto'g'ri tarbiyadir. Misol uchun, agar siz laboratoriya populyatsiyasidan urg'ochilarni kesib o'tsangiz nima bo'ladi Drosophila melanogaster, P-elementga ega bo'lmagan (chunki ularning ajdodlari taxminan yuz yil oldin tabiatdan tutilgan), erkaklar P-elementni olib yurishadimi? Gibridlarda mobil elementning tez harakatlanishi tufayli ko'p sonli turli xil genetik kasalliklar paydo bo'lishi mumkin. Gibrid disgenez deb ataladigan bu hodisa ona sitoplazmasida harakatlanuvchi elementning harakatini taqiqlovchi repressorning yo'qligi tufayli yuzaga keladi.

Shunday qilib, agar A aholidan kuyovlar va B aholidan kelinlar ko'p oilalar yaratishi mumkin bo'lsa, buning aksi har doim ham to'g'ri kelmaydi. Genetik jihatdan sog'lom ota-onalar oilasi ko'p sonli mutant yoki bepusht nasllarni keltirib chiqarishi mumkin yoki ota va onaning genomida turli xil mobil elementlar to'plami bo'lsa, hatto farzandsiz bo'lishi mumkin. Tajriba 29 ° C haroratda o'tkazilsa, ayniqsa, ko'plab qonunbuzarliklar paydo bo'ladi. Genetik fonga qo'shilgan tashqi omillarning ta'siri genom nomuvofiqligining ta'sirini kuchaytiradi, garchi bu omillarning o'zi (hatto ionlashtiruvchi nurlanish) yolg'iz qodir emas. mobil elementlarning bunday ommaviy harakatiga sabab bo'lishi.

Shu kabi voqealar Drosophila melanogaster mobil elementlarning boshqa oilalari ishtirokida sodir bo'lishi mumkin.

"Mobil" evolyutsiyasi

Hujayra genomini doimiy va vaqtinchalik a'zolarning o'ziga xos ekotizimi sifatida ko'rish mumkin, bu erda qo'shnilar nafaqat birga yashaydi, balki bir-biri bilan o'zaro ta'sir qiladi. Xost genlarining transpozitsiyalanuvchi elementlar bilan o'zaro ta'siri hali ham yaxshi o'rganilmagan, ammo ko'plab natijalarni keltirish mumkin - muhim gen zararlanganda organizmning o'limidan tortib, avval buzilgan funktsiyalarni tiklashgacha.

Bu sakrash genlarining o'zlari bir-biri bilan o'zaro ta'sir qilishlari sodir bo'ladi. Shunday qilib, immunitetga o'xshash hodisa ma'lum bo'ladi, agar harakatlanuvchi element mavjud bo'lganiga yaqin joyda kiritilmasa. Biroq, barcha mobil elementlar unchalik nozik emas: masalan, R-elementlar osongina bir-biriga singib ketishi va birodarlarini o'yindan olib tashlashi mumkin.

Bundan tashqari, genomdagi transposable elementlar sonini o'z-o'zini tartibga solishning bir turi mavjud. Gap shundaki, mobil elementlar bir-biri bilan gomologik hududlarni almashishi mumkin - bu jarayon deyiladi rekombinatsiya. Bunday o'zaro ta'sir natijasida mobil elementlar yo'nalishiga qarab yo'qotishi mumkin ( o'chirish) yoki kengaytirish ( inversiya) ular orasida joylashgan mezbon DNK fragmentlari. Agar xromosomaning muhim qismi yo'qolsa, genom o'ladi. Inversiya yoki kichik o'chirishda xromosoma xilma-xilligi hosil bo'ladi, bu evolyutsiyaning zaruriy sharti hisoblanadi.

Agar turli xil xromosomalarda joylashgan harakatlanuvchi elementlar o'rtasida rekombinatsiyalar sodir bo'lsa, natijada xromosomalarning qayta tuzilishi hosil bo'ladi, bu esa keyingi hujayra bo'linishlarida genomda nomutanosiblikka olib kelishi mumkin. Va muvozanatsiz genom, muvozanatsiz byudjet kabi, juda yomon bo'lingan. Muvaffaqiyatsiz genomlarning o'limi faol transpozitsiyalanuvchi elementlarning xromosomalarni cheksiz suv bosishining sabablaridan biridir.

Tabiiy savol tug'iladi: mobil elementlarning evolyutsiyaga qo'shgan hissasi qanchalik muhim? Birinchidan, ko'chirish mumkin bo'lgan elementlarning aksariyati, taxminan aytganda, ular kerak bo'lgan joyda kiritiladi, buning natijasida ular kiritilgan genning tuzilishi yoki regulyatsiyasiga zarar etkazishi yoki o'zgartirishi mumkin. Keyin tabiiy tanlanish muvaffaqiyatsiz variantlarni chetga surib qo'yadi va moslashuvchan xususiyatlarga ega muvaffaqiyatli variantlar tuzatiladi.

Agar transpozitsiyali elementni kiritish oqibatlari neytral bo'lib chiqsa, u holda bu variant populyatsiyada saqlanib qolishi mumkin, bu gen tuzilishidagi ma'lum xilma-xillikni ta'minlaydi. Bu qachon foydali bo'lishi mumkin noqulay sharoitlar. Nazariy jihatdan, harakatlanuvchi elementlarning ommaviy harakati jarayonida mutatsiyalar bir vaqtning o'zida ko'plab genlarda paydo bo'lishi mumkin, bu mavjudlik sharoitlari keskin o'zgarganda juda foydali bo'lishi mumkin.

Xullas, xulosa qilish uchun: genomda ko'plab mobil elementlar mavjud va ular har xil; ular bir-biri bilan ham, xost genlari bilan ham o'zaro ta'sir qilishi mumkin; zararli va almashtirib bo'lmaydigan bo'lishi mumkin. Harakatlanuvchi elementlarning harakati natijasida kelib chiqadigan genomning beqarorligi inson uchun fojia bilan yakunlanishi mumkin, ammo tez o'zgarish qobiliyati populyatsiya yoki turning omon qolishi uchun zaruriy shartdir. Bu tabiiy tanlanish va keyingi evolyutsion o'zgarishlar uchun asos bo'lgan xilma-xillikni yaratadi.

Siz sakrash genlari va immigrantlar o'rtasida qandaydir o'xshashlikni keltirishingiz mumkin: ba'zi immigrantlar yoki ularning avlodlari teng huquqli fuqarolarga aylanadi, boshqalarga yashash uchun ruxsatnoma beriladi, boshqalari - qonunlarga rioya qilmaganlar - deportatsiya qilinadi yoki qamoqqa olinadi. Va xalqlarning ommaviy migratsiyalari davlatning o'zini tezda o'zgartirishi mumkin.

Adabiyot

Ratner V. A., Vasilyeva L. A. Stressli ta'sirlar bilan harakatchan genetik elementlarning transpozitsiyasini induktsiyasi. Rus tilidagi majburiy. 2000.

Gvozdev V. A. Harakatlanuvchi eukaryotik DNK // Soros ta'lim jurnali. 1998 yil. 8-son.