1. Tyrinėjimas: nuo genų iki sudėtingumo

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.