1. Εξερεύνηση: Από τα Γονίδια στην Πολυπλοκότητα

Το ανθρώπινο γονιδίωμα αποτελεί το πλήρες σύνολο των γενετικών οδηγιών που είναι κωδικοποιημένες στο DNA. Το DNA αποτελείται από τέσσερις τύπους νουκλεοτιδίων: αδενίνη (A), θυμίνη (T), κυτοσίνη (C) και γουανίνη (G). Αυτά τα νουκλεοτίδια είναι διατεταγμένα σε μια συγκεκριμένη αλληλουχία που ξεπερνά τα τρία δισεκατομμύρια ζεύγη βάσεων. Μαζί, αποθηκεύουν τις πληροφορίες που απαιτούνται για να κατευθύνουν όλες τις βιολογικές διεργασίες στο ανθρώπινο σώμα, συμπεριλαμβανομένης της ανάπτυξης, της ωρίμανσης, του μεταβολισμού και της αντίδρασης στο περιβάλλον (Lander et al., 2001).

Το δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ (DNA) οργανώνεται σε δομές που ονομάζονται χρωμοσώματα, τα οποία βρίσκονται στη πυρήνα κάθε κυττάρου. Κάθε χρωμόσωμα περιέχει πολλά γονίδια. Ένα γονίδιο είναι μια καθορισμένη αλληλουχία νουκλεοτιδίων που συνήθως κωδικοποιεί ένα λειτουργικό προϊόν, πιο συχνά μια πρωτεΐνη. Οι πρωτεΐνες εκτελούν ένα ευρύ φάσμα βασικών λειτουργιών στα κύτταρα, όπως η δημιουργία κυτταρικών δομών, η καταλυτική δράση σε βιοχημικές αντιδράσεις και η μετάδοση σημάτων μεταξύ των κυττάρων.

Η ολοκλήρωση του Προγράμματος Ανθρώπινου Γονιδιώματος το 2001 παρείχε την πρώτη ολοκληρωμένη επισκόπηση της ανθρώπινης γενετικής πληροφορίας. Ένα από τα πιο απροσδόκητα ευρήματά του ήταν ότι το ανθρώπινο γονιδίωμα περιέχει περίπου 21.000 γονίδια που κωδικοποιούν πρωτεΐνες. Αυτός ο sopρός αριθμός είναι εκπληκτικά παρόμοιος με εκείνον πολύ απλούστερων οργανισμών, όπως το νηματώδες σκουλήκι Caenorhabditis elegans (Claverie, 2001). Αυτή η ανακάλυψη αμφισβήτησε την μακροχρόνια υπόθεση ότι η πολυπλοκότητα ενός οργανισμού καθορίζεται κυρίως από τον αριθμό των γονιδίων που κωδικοποιούν πρωτεΐνες.

Ως αποτέλεσμα, οι επιστήμονες άρχισαν να ερευνούν άλλες πηγές βιολογικής πολυπλοκότητας μέσα στο γονιδίωμα. Η προσοχή στράφηκε προς το μεγάλο ποσοστό του DNA που δεν κωδικοποιεί πρωτεΐνες. Αυτές οι περιοχές, γνωστές ως μη κωδικοποιητικό DNA, αποτελούν το μεγαλύτερο μέρος του ανθρώπινου γονιδιώματος. Αν και δεν παράγουν άμεσα πρωτεΐνες, διαδραματίζουν ουσιαστικό ρόλο στη ρύθμιση της γονιδιακής έκφρασης και στη διατήρηση της δομής του γονιδιώματος (ENCODE Project Consortium, 2007).

Οι μη κωδικοποιητικές περιοχές περιλαμβάνουν ένα most ευρύ φάσμα λειτουργικών στοιχείων. Μεταξύ αυτών είναι οι προαγωγείς, που σηματοδοτούν το σημείο έναρξης της μεταγραφής· οι ενισχυτές, που αυξάνουν το επίπεδο της γονιδιακής έκφρασης· οι σιγαστήρες, που καταστέλλουν τη μεταγραφή· και οι μονωτές, που ελέγχουν τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ ρυθμιστικών στοιχείων και γονιδίων. Επιπλέον, το γονιδίωμα περιέχει διάφορους τύπους μη κωδικοποιητικών μορίων RNA, όπως τα μακρά μη κωδικοποιητικά RNA (lncRNAs) και τα μικροRNA (miRNAs). Αυτά τα μόρια επηρεάζουν τη ρύθμιση των γονιδίων επηρεάζοντας τη δομή της χρωματίνης, τη σταθερότητα του RNA και τη μετάφραση.

Μαζί, τα γονίδια που κωδικοποιούν πρωτεΐνες, τα ρυθμιστικά στοιχεία του DNA και τα μη sop κωδικοποιητικά RNA σχηματίζουν ένα άκρως συντονισμένο ρυθμιστικό σύστημα. Αυτό το σύστημα επιτρέπει στο ίδιο γονιδίωμα να παράγει μια μεγάλη ποικιλία κυτταρικών τύπων, όπως νευρώνες, μυϊκά κύτταρα και ανοσοκύτταρα, το καθένα με διακριτές λειτουργίες. Επιπλέον, επιτρέπει στα κύτταρα να ανταποκρίνονται σε sop σήματα ανάπτυξης και σε περιβαλλοντικές αλλαγές. Η κατανόηση αυτής της ρυθμιστικής πολυπλοκότητας είναι θεμελιώδης για την ερμηνεία της ανθρώπινης ανάπτυξης, προσαρμογής και ασθένειας.