Kas yra žmogaus genomas?

Žmogaus genomas – tai visos genetinės instrukcijos, užkoduotos DNR. DNR sudaro keturių tipų nukleotidai: adeninas (A), timinas (T), citozinas (C) ir guaninas (G). Šie nukleotidai yra išdėstyti tam tikra seka, sudaryta iš daugiau nei trijų milijardų bazinių porų. Kartu jie saugo informaciją, reikalingą visų biologinių procesų žmogaus organizme valdymui, įskaitant augimą, vystymąsi, medžiagų apykaitą ir reakciją į aplinką (Lander et al., 2001).

Deoksiribonukleino rūgštis (DNR) yra suskirstyta į struktūras, vadinamas chromosomomis, kurios yra kiekvienos ląstelės branduolyje. Kiekviena chromosoma turi daug genų. Genas yra apibrėžta nukleotidų seka, kuri paprastai koduoja funkcinį produktą, dažniausiai baltymą. Baltimai atlieka daugelį svarbių funkcijų ląstelėse, pavyzdžiui, kuria ląstelių struktūras, katalizuoja biochemines reakcijas ir perduoda signalus tarp ląstelių.

2001 m. užbaigus Žmogaus genomo projektą, buvo pateikta pirmoji išsami žmogaus genetinės informacijos apžvalga. Vienas iš netikėčiausių atradimų buvo tai, kad žmogaus genomas turi apie 21 000 baltymus koduojančių genų. Šis skaičius yra stebėtinai panašus į daug paprastesnių organizmų, pvz., nematodų Caenorhabditis elegans (Claverie, 2001). Šis atradimas paneigė ilgametę prielaidą, kad organizmų sudėtingumas pirmiausia priklauso nuo baltymus koduojančių genų skaičiaus.

Dėl to mokslininkai pradėjo tirti kitus biologinio sudėtingumo šaltinius genome. Dėmesys buvo nukreiptas į didelę DNR dalį, kuri nekoduoja baltymų. Šios sritys, vadinamos nekoduojančia DNR, sudaro didžiąją dalį žmogaus geno. Nors jos tiesiogiai negamina baltymų, jos atlieka svarbų vaidmenį reguliuojant genų ekspresiją ir palaikant geno struktūrą (ENCODE Project Consortium, 2007).

Nekoduojančios sritys apima platų funkcinių elementų spektrą. Tarp jų yra promotoriai, kurie žymi transkripcijos pradžios tašką; stiprikliai, kurie padidina genų ekspresijos lygį; slopintuvai, kurie slopina transkripciją; ir izoliatoriai, kurie kontroliuoja reguliuojančių elementų ir genų sąveiką. Be to, genomas turi įvairių tipų nekoduojančių RNR molekulių, pvz., ilgų nekoduojančių RNR (lncRNA) ir mikroRNR (miRNA). Šios molekulės veikia genų reguliavimą, daro įtaką chromatino struktūrai, RNR stabilumui ir transliacijai.

Baltyminius koduojantys genai, reguliuojantys DNR elementai ir nekoduojantys RNR kartu sudaro labai suderintą reguliavimo sistemą. Ši sistema leidžia tam pačiam genomui generuoti įvairius ląstelių tipus, pvz., neuronus, raumenų ląsteles ir imunines ląsteles, kurių kiekvienos funkcijos yra skirtingos. Ji taip pat leidžia ląstelėms reaguoti į vystymosi signalus ir aplinkos pokyčius. Šios reguliavimo sudėtingumo supratimas yra pagrindinis žmogaus vystymosi, prisitaikymo ir ligų paaiškinimas.

Kas yra ENCODE projektas?

DNR elementų enciklopedijos (ENCODE) projektą 2003 m. pradėjo Nacionalinis žmogaus genomo tyrimų institutas (NHGRI). Jo pagrindinis tikslas – identifikuoti ir apibūdinti visus funkcinius elementus žmogaus genome, įskaitant tuos, kurie nekoduoja baltymų (ENCODE Project Consortium, 2004).

Norėdamas tai pasiekti, ENCODE projektas naudoja įvairius eksperimentinius ir kompiuterinius metodus. Tai apima chromatino imunoprecipitaciją, po kurios atliekamas sekvenavimas (ChIP-seq), RNR sekvenavimą (RNA-seq) ir DNase I hipersensibilaus vietos sekvenavimą (DNase-seq). Šios technologijos leidžia mokslininkams tirti genų ekspresiją, transkripcijos faktorių jungimąsi ir chromatino prieinamumą daugelyje skirtingų žmogaus ląstelių tipų (Landt et al., 2012; Djebali et al., 2012).

Projektas prasidėjo bandomąja faze, kurios metu buvo tirta apie 1 % žmogaus genomo. Ši fazė buvo skirta eksperimentiniams metodams ir duomenų analizės strategijoms išbandyti. Po sėkmingos bandomosios fazės projektas buvo išplėstas ir apėmė visą genomą. ENCODE konsorciumas sukūrė tūkstančius duomenų rinkinių, apibūdinančių genus, transkriptus, chromatino struktūrą, transkripcijos faktorių prisijungimo vietas ir kitas reguliavimo savybes.

Vienas iš svarbiausių ENCODE projekto atradimų yra tai, kad didelė žmogaus genomo dalis yra transkribuojama į RNR, nors tik nedidelė dalis koduoja baltymus. Mokslininkai identifikavo tūkstančius reguliavimo regionų, įskaitant promotorius, stipriklius ir izoliatorius. Šie elementai įtakoja genų ekspresiją konkrečiam ląstelių tipui būdingu būdu ir yra glaudžiai susiję su chromatino struktūra ir histonų modifikacijomis (Gerstein et al., 2012; Kundaje et al., 2012).

ENCODE projektas taip pat pabrėžė nekoduojančių RNR svarbą. Buvo identifikuota tūkstančiai ilgų nekoduojančių RNR, iš kurių daugelis, atrodo, turi reguliavimo funkcijas. Šios RNR dažnai ekspresuojamos specifiniuose audiniuose ir atlieka transkripcijos reguliavimo, chromatino pertvarkymo ir RNR apdorojimo funkcijas (Djebali et al., 2012).

Be to, ENCODE tyrimai parodė, kad daugelis genetinės variacijos, susijusios su žmogaus ligomis, yra ne baltymų koduojančiuose genuose, o nekoduojančiose reguliavimo srityse. Integravę ENCODE duomenis su genomo masto asociacijos tyrimais (GWAS), mokslininkai galėjo funkcionaliai anotuoti daugelį su ligomis susijusių variacijų (Schaub et al., 2012; Boyle et al., 2012). Šis atradimas žymiai pagerino mūsų supratimą apie tai, kaip genų reguliacijos pokyčiai veikia žmogaus sveikatą ir ligas.

Pagrindiniai atradimai

ENCODE konsorciumo atlikti tyrimai parodė, kad didelė dalis žmogaus genomo yra transkribuojama į RNR, nors tik nedidelė dalis šių transkriptų koduoja baltymus. Šis atradimas parodė, kad transkripcija yra kur kas plačiau paplitusi nei anksčiau manyta. Buvo identifikuota tūkstančiai reguliuojančių regionų, įskaitant promotorius, stipriklius, slopintuvus ir izoliatorius. Šie elementai daro įtaką genų ekspresijos laikui ir vietai ir dažnai veikia pagal ląstelių tipą (Gerstein et al., 2012; Kundaje et al., 2012).

ENCODE projektas taip pat pabrėžė chromatino struktūros svarbą genų reguliacijoje. Chromatino organizacija, kurią formuoja histonų modifikacijos ir DNR prieinamumas, lemia, ar reguliuojantys elementai ir genai gali sąveikauti. Chromatino būklės pokyčiai gali aktyvuoti arba slopinti genų ekspresiją, leidžiant ląstelėms reaguoti į vystymosi signalus ir aplinkos signalus.

Kitas svarbus ENCODE projekto atradimas susijęs su nekoduojančiais RNR. Tyrėjai identifikavo tūkstančius ilgų nekoduojančių RNR, kurie, atrodo, turi reguliavimo funkcijas. Šie RNR dažnai ekspresuojami specifiniuose audiniuose ir vystymosi etapuose ir gali daryti įtaką transkripcijai, chromatino pertvarkymui ir RNR apdorojimui (Djebali et al., 2012).

Be to, ENCODE tyrimai parodė, kad daugelis genetinės variacijos, susijusios su žmogaus ligomis, yra ne baltymų koduojančiuose genuose, o nekoduojančiose reguliavimo srityse. Integruodami ENCODE duomenis su genomo masto asociacijos tyrimais (GWAS), mokslininkai sugebėjo funkcionaliai anotuoti daugelį su ligomis susijusių variacijų. Šis atradimas žymiai pagerino supratimą apie tai, kaip genų reguliacijos pokyčiai prisideda prie ligų rizikos (Schaub et al., 2012; Boyle et al., 2012).

ENCODE projekto aktualumas

Genomo funkcinių elementų supratimas yra būtinas norint paaiškinti, kaip reguliuojami genai, kaip diferencijuojasi ląstelės ir kaip vystosi sudėtingi organizmai. ENCODE projektas suteikia atvirą prieigą prie aukštos kokybės genominių duomenų, todėl jis yra vertingas išteklius tiek moksliniams tyrimams, tiek švietimui (Rosenbloom et al., 2010).

Integruodami ENCODE duomenis su kitais didelio masto genominių duomenų rinkiniais, mokslininkai gauna naujų įžvalgų apie sudėtingų ligų, tokių kaip vėžys, diabetas ir neurologiniai sutrikimai, molekulinį pagrindą. Funkcinių variantų reguliavimo srityse identifikavimas leidžia mokslininkams kurti tikslesnius genų reguliavimo modelius ir identifikuoti potencialius medicininių intervencijų tikslus.

Pagrindinė leksika

Interaktyvus žodynų praktikos užsiėmimas (Gimkit veikla)

Dabar, kai jau susipažinote su pagrindinėmis sąvokomis, susijusiomis su žmogaus genomu ir ENCODE projektu, atėjo laikas patikrinti savo žinias interaktyviu būdu.