كم عدد الجينات لدينا؟ الجين، الجينوم، الكروموسوم: التعريف، البنية، الوظائف كم عدد الجينات الموجودة على كروموسوم واحد.

موسكو، 4 يوليو— ريا نوفوستي، آنا أورمانتسيفا. من لديه الجينوم الأكبر؟ كما تعلمون، فإن بعض المخلوقات لديها بنية أكثر تعقيدا من غيرها، وبما أن كل شيء مكتوب في الحمض النووي، فيجب أن ينعكس ذلك أيضا في الكود الخاص به. اتضح أن الشخص الذي لديه كلام متطور يجب أن يكون أكثر تعقيدًا من دودة مستديرة صغيرة. ومع ذلك، إذا قارنتنا مع دودة من حيث عدد الجينات، فستحصل على نفس الشيء تقريبًا: 20 ألف جين من Caenorhabditis elegans مقابل 20-25 ألف من Homo sapiens.

والأكثر إهانة لـ "تاج المخلوقات الأرضية" و "ملك الطبيعة" هو المقارنات مع الأرز والذرة - 50 ألف جين مقارنة بالإنسان 25.

ومع ذلك، ربما نعتقد خطأ؟ الجينات هي "صناديق" يتم فيها تعبئة النيوكليوتيدات - "حروف" الجينوم. ربما عدهم؟ لدى البشر 3.2 مليار زوج من النيوكليوتيدات. لكن عين الغراب اليابانية (باريس جابونيكا) - وهي نبات جميل ذو زهور بيضاء - تحتوي على 150 مليار زوج قاعدي في جينومها. اتضح أن الشخص يجب أن يكون أبسط 50 مرة من بعض الزهور.

وتبين أن الأسماك الرئوية (الأسماك الرئوية - التي تمتلك تنفسًا خياشيميًا ورئويًا) أكثر تعقيدًا بـ 40 مرة من البشر. ربما تكون جميع الأسماك أكثر تعقيدًا إلى حد ما من البشر؟ لا. تحتوي سمكة الفوجو السامة، التي يعد اليابانيون منها طعامًا شهيًا، على جينوم أصغر بثماني مرات من جينوم البشر وأصغر بـ 330 مرة من جينوم السمكة الرئوية بروتوبتيرا.
كل ما تبقى هو حساب الكروموسومات - لكن هذا يربك الصورة أكثر. كيف يمكن للإنسان أن يتساوى في عدد الكروموسومات مع شجرة الدردار، والشمبانزي مع الصرصور؟

واجه علماء الأحياء التطورية وعلماء الوراثة هذه المفارقات منذ زمن طويل. لقد اضطروا إلى الاعتراف بأن حجم الجينوم، بغض النظر عن الطريقة التي نحاول بها حسابه، لا علاقة له بشكل لافت للنظر بتعقيد تنظيم الكائنات الحية. أُطلق على هذه المفارقة اسم "لغز القيمة C"، حيث C هي كمية الحمض النووي في الخلية (مفارقة القيمة C، الترجمة الدقيقة هي "مفارقة حجم الجينوم"). ومع ذلك، توجد بعض الارتباطات بين الأنواع والممالك.

© رسم توضيحي لريا نوفوستي. أ. بوليانينا

© رسم توضيحي لريا نوفوستي. أ. بوليانينا

فمن الواضح، على سبيل المثال، أن حقيقيات النوى (الكائنات الحية التي تحتوي خلاياها على نواة) لديها، في المتوسط، جينومات أكبر من بدائيات النوى (الكائنات الحية التي لا تحتوي خلاياها على نواة). تمتلك الفقاريات، في المتوسط، جينومات أكبر من اللافقاريات. ومع ذلك، هناك استثناءات لم يتمكن أحد من تفسيرها بعد.

تمكن علماء الوراثة من فك رموز الحمض النووي لنبات يمكنه النجاة من انفجار ذريتمكن العلماء لأول مرة من فك رموز الجينوم الكامل لنبات الجنكة، وهو أقدم نبات حديث على وجه الأرض، والذي ظهر ممثلوه الأوائل حتى قبل ولادة الديناصورات الأولى، في زمن السحالي.

كانت هناك اقتراحات بأن حجم الجينوم يرتبط بطول دورة حياة الكائن الحي. وباستخدام النباتات كمثال، جادل بعض العلماء بأن الأنواع المعمرة لها جينومات أكبر من النباتات الحولية، وعادة ما يكون الاختلاف عدة مرات. وأصغر الجينومات تنتمي إلى نباتات سريعة الزوال، والتي تمر بالدورة الكاملة من الولادة إلى الموت في غضون أسابيع قليلة. تتم حاليًا مناقشة هذه المشكلة بنشاط في الأوساط العلمية.

يوضح الباحث الرائد في معهد الوراثة العامة. إن آي فافيلوفا من الأكاديمية الروسية للعلوم، أستاذ جامعة تكساس للميكانيكا الزراعية وجامعة غوتنغن كونستانتين كروتوفسكي: "حجم الجينوم لا يرتبط بمدة دورة حياة الكائن الحي! على سبيل المثال، هناك أنواع داخل نفس الجنس الذي له نفس حجم الجينوم، ولكن قد يختلف في متوسط ​​العمر المتوقع عشرات، إن لم يكن مئات المرات. بشكل عام، هناك علاقة بين حجم الجينوم والتقدم التطوري وتعقيد التنظيم، ولكن مع العديد من الاستثناءات. يرتبط الحجم بصيغة الصيغة الصبغية (رقم النسخة) للجينوم (وتوجد متعددات الصيغة الصبغية في كل من النباتات والحيوانات) وكمية الحمض النووي المتكرر للغاية (التكرارات البسيطة والمعقدة، والترانسبوزونات والعناصر المتنقلة الأخرى)."

لقد "أعاد علم الوراثة" ذرة عمرها خمسة آلاف عاموتمكن علماء الوراثة من استخراج الحمض النووي من البقايا القديمة للذرة "المزروعة" واستعادة الجينوم الخاص بها، مما يشير إلى جذور أقدم للنبات المفضل لدى نيكيتا سيرجيفيتش خروتشوف أكثر مما كنا نعتقد سابقا.

هناك أيضًا علماء لديهم وجهة نظر مختلفة حول هذه القضية.

تحتوي خلايا الجسم على 46 كروموسومًا. حاملات وحدات الوراثة هي هياكل نواة الخلية - الكروموسومات.
يمكن ملاحظة الكروموسومات بسهولة في الخلايا المنقسمة. تحتوي خلايا الجسم على مجموعة ثنائية الصبغيات من الكروموسومات - كل كروموسوم لديه كروموسوم شقيق مشابه لنفسه. تحتوي الخلايا الجنسية على مجموعة أحادية الصيغة الصبغية من الكروموسومات.
يوجد 46 كروموسومًا في خلايا جسم الإنسان.
هناك نوعان من انقسام الخلايا - الانقسام والانقسام الاختزالي. الأول هو سمة انقسام الخلايا الجسدية، والثاني يحدث أثناء تكوين الخلايا الجرثومية.
أثناء الانقسام، تتضاعف الكروموسومات ثم تنتشر إلى الخلايا الوليدة. ونتيجة لذلك، يتم تشكيل خليتين متطابقتين تمامًا مع الخلية الأم.
في الانقسام الاختزالي، يتم تكرار الكروموسومات مرة واحدة، ولكن بعد ذلك تتبعها دورتان من انقسام الخلايا. خلال الانقسام الأول، يتم توزيع الكروموسومات المتماثلة بشكل عشوائي في خلايا مختلفة. يشبه القسم الثاني من الانقسام الاختزالي الانقسام الفتيلي. نتيجة للانقسام الاختزالي، يتم تشكيل أربع خلايا ابنة مع مجموعة أحادية الصيغة الصبغية من الكروموسومات.
تتوافق عملية إعادة تركيب الكروموسوم أثناء تقسيم الاختزال مع إعادة تركيب الوحدات الوراثية المندلية.
وحدات الوراثة تسمى الجينات ويتم ترتيبها خطيا على الكروموسومات. تسمى الجينات الموجودة على نفس الكروموسوم مرتبطة.
يمكن للجينات المرتبطة أن تتحد من جديد بسبب عملية العبور، حيث يتم تبادل المناطق بين الكروموسومات المتماثلة.
إن عمليات إعادة التركيب التي تحدث في الانقسام الاختزالي تكمن وراء التباين الوراثي وتؤدي إلى التفرد الوراثي للأفراد.
تمكن علماء من معهد سانجر التابع لمؤسسة ويلكوم ترست في كامبريدج من فك شفرة كروموسوم بشري آخر، وهو أكبر خريطة تم رسمها حتى الآن. أصبح الكروموسوم 20 هو الثالث. فهو يحتوي على معلومات حول مجموعة من الحالات، من السمنة والأكزيما إلى الخرف وإعتام عدسة العين.

ويحتوي الكروموسوم على 727، 32 منها ترتبط بتطور الأمراض الوراثية، بما في ذلك مرض كروتزفيلد جاكوب، والاضطرابات الشديدة في الجهاز المناعي، وأمراض القلب، والسكري. تشكل النوكليوتيدات الستين مليونًا التي يتكون منها الكروموسوم حوالي اثنين بالمائة من إجمالي الشفرة الوراثية البشرية.

وأشار الدكتور بانوس ديلوكاس، الذي قاد الفريق، إلى أن الكروموسوم يحتوي على قطعة إضافية من الحمض النووي تحتوي على جين واحد على الأقل. وتوجد منطقة مماثلة لدى 37 بالمائة من سكان العرق الأوروبي. ولا يعرف العلماء ما إذا كان هذا الجين يعمل لدى البشر وما هو المسؤول عنه.

اكتشف العلماء أيضًا أنه يوجد في الكروموسوم العشرين أكثر من 30 ألف متغير لترتيب النيوكليوتيدات، مما يوفر التنوع في بنية الحمض النووي. يقول العلماء إن معرفة الاختلافات يمكن أن تساعد في تفسير سبب استعداد بعض الأشخاص للإصابة بالسرطان أو مرض السكري، على سبيل المثال.

يتم تمثيل كل كروموسوم بشري بسلسلتين حلزونيتين من جزيئات الحمض النووي متصلة بواسطة النيوكليوتيدات. يحتوي الحمض النووي على أربعة نيوكليوتيدات: الأدينين والثايمين والجوانين والسيتوزين. يحدد تسلسل النيوكليوتيدات في جزيئات الحمض النووي الشفرة الوراثية للكائن الحي.

في البشر، 99.9 في المائة من الجينات متماثلة، والاختلاف في بنية 0.1 في المائة من الجينات هو الذي يجعل الناس فريدين.

صحيح

مشروع الشفرة الوراثية البشرية- مشروع بحث دولي هدفه الرئيسي تحديد تسلسل النيوكليوتيدات التي تشكل الحمض النووي وتحديد 20-25 ألفا، وكان المشروع تتويجا لعدة سنوات من العمل بدعم من وزارة الطاقة الأمريكية، ولا سيما ورش العمل التي عقدت في عام 1984 و1986، والإجراءات اللاحقة لوزارة الطاقة. ينص تقرير عام 1987 بوضوح على ما يلي: "إن الهدف النهائي لهذا المسعى هو فهم الجينوم البشري" و"إن معرفة الجينوم البشري ضرورية لتقدم الطب والعلوم الصحية الأخرى بقدر أهمية معرفة علم التشريح في حالته الحالية". بدأ البحث عن تقنيات مناسبة لحل المشكلة المقترحة في النصف الثاني من الثمانينات. وفي عام 1998، أطلق الباحث الأمريكي كريج فينتر وشركته سيليرا جينوميكس دراسة مماثلة بتمويل خاص. في أوائل التسعينيات، عندما

تداخل النصوص الجينية

يتجلى مبدأ ضغط تسجيل المعلومات في الحمض النووي بطريقة أخرى. هناك حقيقة مهمة، تم اكتشافها في البداية عند تحليل تسلسل الجينات في الفيروسات، وهي أن نفس القسم من الحمض النووي يمكن أن يحتوي في بعض الأحيان على معلومات حول اثنين من الحمض النووي الريبي (RNA) مختلفين تمامًا (وبالتالي بروتينات مختلفة تمامًا). ويحدث هذا أيضًا في جينوم الكائنات العليا، بما في ذلك البشر. كيف يتم ذلك؟ ولنتذكر أن النص المكتوب في الحمض النووي لا ينقسم بشكل واضح إلى كلمات (الحروف - النيوكليوتيدات - تتبع الواحدة تلو الأخرى في جزيء الحمض النووي). ولكن هناك كلمات في هذا النص، فقط علامات الترقيم والفواصل بين الكلمات تكون مخفية عن الأنظار ويتم التعرف عليها من قبل الخلية بعد تحويل المعلومات من DNA إلى RNA. ولمزيد من الوضوح، إليك مثال معروف لهذا النص:

قام نابليون بجز العشب المغلي بالعندليب.

اعتمادًا على كيفية تقسيم هذا النص إلى كلمات، نحصل على جملتين لهما معنى مختلف تمامًا:

في الحقل قام بقص عشب حقول الغليان

العندليب

نابليون يجز العشب ويحرقه البولنديون

العندليب.

من الناحية النظرية، على سلسلتين من الحمض النووي، مع الأخذ في الاعتبار حقيقة أن الكود ثلاثي التوائم، فمن الممكن كتابة 6 نصوص مختلفة: ثلاثة في سلسلة واحدة وثلاثة في الأخرى. يمكن تحقيق ذلك عن طريق تحويل نقطة البداية لقراءة المعلومات، وهو ما يسمى إزاحة إطار القراءة (يمكن أن تبدأ القراءة من أي من النيوكليوتيدات الثلاثة المختلفة المتجاورة) (انظر الشكل 21). وتسمى هذه الظاهرة تداخل الجينات. تم اكتشافه لأول مرة في الفيروسات. وهنا كان من الواضح سبب الحاجة إلى ذلك. عادة ما تكون الجينومات الفيروسية صغيرة جدًا. تم تحديد تداخل الجينات من خلال الحاجة إلى وضع المعلومات بشكل مضغوط قدر الإمكان على القريب

أرز. 21.تمثيل تخطيطي للتداخل بين نصين من الحمض النووي مكتوبين على نفس قسم الحمض النووي. يتكون البروتين A على mRNA، والذي يُترجم من نفس الكودونات، ويتكون البروتين B على mRNA، مقروءًا (مترجمًا) بإزاحة نيوكليوتيد واحد. نتيجة لذلك، تكون الكودونات (مفصولة بمسافات) مختلفة تمامًا، وبالتالي، أثناء ترجمة mRNA، تتشكل بروتينات مختلفة تمامًا في جزيئات الحمض النووي القصيرة جدًا. ومن الناحية النظرية، فإن الجينوم البشري الكبير يجعل من الممكن تجنب مثل هذا التداخل. ومع ذلك، في الجينوم البشري، على الرغم من أنه نادرًا نسبيًا، هناك أيضًا تداخل في الجينات.

ما الفائدة من الحفاظ على هذه الظاهرة في الجينوم البشري؟ ليس كل شيء واضحا بعد، ولكن بعض النقاط أصبحت أكثر وضوحا بالفعل. على سبيل المثال، في عدد من الحالات، تم اكتشاف قراءة الحمض النووي الريبي من خيوط مختلفة من نفس قسم الحمض النووي. يؤدي هذا إلى تكوين RNAs التي، بسبب تكاملها، يمكن أن تتفاعل مع بعضها البعض في الخلية، مما يؤدي إلى تكوين RNAs مزدوج الجديلة. وفي شكله المزدوج، لا يكون mRNA قادرًا على القيام بعملية مهمة مثل الترجمة. هذه هي الآلية الحقيقية لتنظيم (تعطيل) محدد للتعبير عن الجينات البشرية، والتي يبلغ عددها، وفقًا للتقديرات الأخيرة، حوالي 1600.

ليست كل الجينات ترمز للبروتينات

بادئ ذي بدء، تجدر الإشارة إلى أنه بالإضافة إلى الجينات التي تشفر البروتينات، يحتوي الجينوم أيضًا على الجينات التي يتم تصنيع الحمض النووي الريبي (RNA) عليها، وهي ليست mRNA (أي لا تشفر البروتينات)، ولكنها تؤدي عددًا من الوظائف المهمة المستقلة في الخلايا. والنتيجة هي الوضع الذي يجب فيه توسيع التعريف التقليدي للجين ليشمل الجينات التي تشفر البروتينات والجينات التي لا تشفر البروتينات ولكنها تشفر RNAs ذات الأهمية الوظيفية.

من المعروف منذ فترة طويلة أنه بالإضافة إلى الرنا المرسال، يتم تصنيع العديد من الرناوات المساعدة على الحمض النووي، والتي لا تتم ترجمتها في حد ذاتها (أي أنها لا تقوم بتشفير البروتينات)، ولكنها تشارك في العمليات الخلوية المختلفة. بادئ ذي بدء، هذه هي RNAs "التدبير المنزلي" - RNA الريباسي (rRNAs)، RNAs النقل (tRNAs)، وما إلى ذلك، والتي تشارك بشكل مباشر في تخليق البروتين على mRNA. يتم تشفير هذه الـ RNA بواسطة مناطق تسمى أيضًا الجينات وتشكل الجزء الأكبر من RNA في الخلايا. rRNAs هي جزء من الريبوسومات، كونها عنصرا هاما في تنظيمها الهيكلي. في البشر، هناك نوعان رئيسيان من الرنا الريباسي، حوالي 1900 نيوكليوتيدات في الحجم وأكثر من 5000 نيوكليوتيدات في الحجم في الوحدات الفرعية الصغيرة والكبيرة، على التوالي. الحمض النووي الريبوزي (RNA) الآخر غير المشفر للبروتين هو الحمض الريبي النووي النقال (tRNA)، الذي يوفر جهاز الترجمة، ويسحب الأحماض الأمينية المختلفة إلى الريبوسومات التي تتفاعل مع بعضها البعض. في الجينوم البشري، يتم تمثيل الجينات المشفرة للـ rRNA وtRNA في نسخ عديدة. وهكذا، تم العثور على حوالي 500 جينة تشفر الحمض الريبي النووي النقال في الحمض النووي البشري المتسلسل. تم التعرف على حوالي 200 نسخة من جينات الرنا الريباسي في الجينوم البشري، والتي تقع على 5 كروموسومات مختلفة (13، 14، 15، 21 و22).

أدت دراسة خصائص الحمض النووي الريبوزي (RNA) إلى نهاية فكرة حصرية البروتينات في تحفيز التفاعلات الكيميائية الحيوية. اتضح أنه في الطبيعة هناك أنواع من الحمض النووي الريبي (RNA)، مثل البروتينات، لها نشاط تحفيزي محدد للغاية.

وكان من المهم جدًا اكتشاف العديد من الجينات الأخرى في الجينوم البشري التي تنتج أيضًا الحمض النووي الريبوزي (RNA)، ولكنها غير قادرة على تشفير البروتين. أصبح من الواضح تدريجياً أن بعض هذه الـ RNA غير المشفرة للبروتين تشارك في أهم العمليات التي تحدث في الخلية: تنظيم نسخ الحمض النووي، وربط وترجمة mRNA، وتعديل وظائف البروتين وتوزيعها المكاني في الخلية. ولهذا السبب تم استدعاؤهم منظمات الريبوري.ويمكن بالفعل إعطاء العديد من الأمثلة على منظمات الريبوري. وهكذا، فقد ثبت أن منطقة الترميز غير البروتينية للجين ح19يرتبط بعدد من العمليات التي تحدث في الخلايا، وعلى وجه الخصوص، إلى تنكسها الخبيث. هناك جين آخر لترميز الحمض النووي الريبوزي (RNA) يتحكم في عمل جين ترميز البروتين هف،تشارك في استقلاب الحديد وترتبط بالمرض الوراثي داء ترسب الأصبغة الكيميائية. في الحالة الأخيرة، يتم تشفير منتج الحمض النووي الريبي (RNA) بواسطة نفس الجين الذي ينظمه، ولكن تكوينه يحدث على شريط DNA مختلف. ونتيجة لذلك، فإن ما يسمى بمنتج RNA المضاد (التكميلي) قادر على التفاعل مع mRNA، وتشكيل هجينة لا يمكن ترجمتها في الريبوسومات لتكوين بروتين. الجين الآخر المثير للاهتمام هو الجين المنشط لمستقبلات الستيرويد. إنه يضمن نشاط مستقبلات الستيرويد من خلال تكوين مركب مع هذا البروتين.

في الخلايا البشرية، كما هو الحال في الكائنات الحية الأخرى، تم التعرف على RNAs القصيرة المزدوجة (microRNAs)، والتي يبدو أن بعضها يمكن أن يشارك في عملية تنظيم التعبير الجيني من خلال آلية تسمى تدخل الحمض النووي الريبي.تم اكتشاف هذه الآلية لأول مرة في عام 1998 في الكائنات الحية السفلية. مختلف microRNAs في الخلايا الدودية جيم ايليجانسكانوا قادرين على "إسكات" عمل الجينات المحددة بدقة من خلال التأثير على عملية تخليق البروتينات التي تشفرها. ومن المحتمل أن تلعب الرناوات الدقيقة دورًا مشابهًا في البشر.

وهكذا، نرى أن منتجات الجينات التي تشفر الحمض النووي الريبوزي (RNA) فقط تتداخل مع العمليات الخلوية المختلفة باستخدام آليات مختلفة تمامًا. يبدو أن جينات Riboregulator تشكل جزءًا كبيرًا من الجينوم البشري. تشير التقديرات التقريبية إلى قيمة أكبر من نسبة تسلسلات النيوكليوتيدات المشفرة للبروتين. إن حقيقة وجود مثل هذه الجينات، غير القادرة على تشفير البروتين، ولكنها تتجلى في الواقع في إنتاج الحمض النووي الريبي (RNA) الذي يعمل في الخلايا، تثير سؤالًا كبيرًا للباحثين في الجينوم. وقبل كل شيء، ما الذي يجب اعتباره الجينوم نفسه؟

الجين داخل الجين (جين ماتريوشكا)

في بعض الأحيان، يتم اكتشاف المتغيرات عندما يحتوي أحد الجينات بالكامل على جين آخر أصغر. نوع من "الماتريوشكا" مصنوع من الجينات. هذا الترتيب للجينات نادر جدًا. لذلك، على الكروموسوم 22 هناك حالتان فقط من هذا القبيل. في أغلب الأحيان، يوجد جين مشفر للبروتين في إنترون لجين آخر مشفر للبروتين. ولكن هناك خيارات أخرى. وكمثال على ذلك، يمكننا أن نذكر الحالة التي تحدث لجين الميتوكوندريا لأحد جزيئات الـ RNA الريبوسومية. يوفر الجين الذي يشفر هذا الرنا الريباسي (rRNA) إلى ريبوسومات الميتوكوندريا كمكون هيكلي (أي أنه لا يقوم بتشفير البروتين). ومع ذلك، في الوقت نفسه، توجد منطقة صغيرة داخل هذا الجين تقوم بتشفير بروتين قصير (بولي ببتيد)، يسمى هومانين (من الكلمة الإنجليزية إنسان)، والذي يشارك في عملية موت الخلايا المبرمج. أي أن الجين المشفر للـ RNA قد يحتوي على جين مشفر للبروتين. خيار آخر هو الجين H19 المذكور أعلاه. وعلى العكس من ذلك فإن الجين المشفر للبروتين يحتوي ضمن جزء الترميز الخاص به على جين آخر أقصر يشفر فقط الحمض النووي الريبي (RNA) الذي يشارك في تنظيم عمل هذا الجين.

عائلات الجينات

مثلما أن لدى الناس عائلات، فإن الجينات غالبًا ما تكون لها عائلات. عائلة الجينات هي مجموعة من اثنين أو أكثر من الجينات التي ترتبط إكسوناتها ببعضها البعض، أي أنها متشابهة (وإن لم تكن متطابقة) في تسلسل النيوكليوتيدات. يوجد حوالي ألف ونصف من هذه العائلات الجينية في الجينوم البشري. علاوة على ذلك، هناك حوالي مائة منها فقط خاصة بالبشر والفقاريات الأخرى، في حين أن الجزء الأكبر من عائلات الجينات موجود في كل من البشر والديدان.

نشأ أعضاء مختلفون من نفس عائلة الجينات في التطور من جين سابق واحد (نسبيًا، من جد جد أكبر، كما هو الحال في البشر). تم استدعاء العملية التي أدت إلى ظهور "نسخ". الازدواجيةأي مضاعفة. ومثل هذه الازدواجية في بعض الحالات لا تحدث مرة واحدة، بل مرارا وتكرارا. لقد أصبح من الواضح الآن أن الازدواجية تلعب دورًا مهمًا جدًا في التطور. تشير التقديرات إلى أنه في الجينوم البشري، يتم تكرار حوالي 3.6٪ من تسلسلات النيوكليوتيدات التي يبلغ حجمها 1000 نقطة أساس أو أكثر.

يمكن أن توجد نسخ مختلفة من نفس عائلة الجينات جنبًا إلى جنب في الجينوم وتتبع بعضها البعض (وهذا ما يسمى الازدواج الترادفي). دعونا نلقي نظرة على بعض الأمثلة. وهكذا، فإن الجينات التي تشفر الحمض النووي الريبوزي الريباسي (rRNA) وبروتينات الهيستون موجودة في الجينوم البشري على شكل مجموعات مبنية من نفس التسلسلات التي تتبع بعضها البعض (الشكل 22).

أرز. 22.بنية قسم من الجينوم البشري، يتكون من العديد من الجينات التي تشفر الحمض النووي الريبوزي الريباسي (RNA). خطوط سميكة - المناطق المكتوبة

عادةً ما يحتاج الجسم إلى مثل هذه "المجموعات" من الجينات المتطابقة لإنتاج كميات كبيرة من منتج معين. في الواقع، يشكل الرنا الريباسي الجزء الأكبر من كل الرنا الخلوي من حيث الكتلة، كونه جزءًا من "الآلات" المهمة للخلية مثل الريبوسومات. تحتاج الخلية إلى كتلة ضخمة من الهستونات لتجميع جزيئات الحمض النووي العملاقة وحزمها بإحكام في الكروموسومات. وفي جميع هذه الحالات، يتحدثون عن "جرعة" كبيرة من الجين في الجينوم، والتي تزود الخلية في النهاية بكمية كبيرة من المنتج.

لكن في معظم الحالات الأخرى، فإن «نسخ» الجينات الناتجة عن التضاعف تخضع تدريجياً لتغيرات (طفرات)، مما يؤدي إلى ظهور اختلافات معينة بينها، على الرغم من الحفاظ على العلاقة الشكلية. كانت تسمى هذه العملية تشعب،أي التناقض. عادة ما يتم التعبير عن التباعد كنسبة مئوية من الاختلافات بين تسلسلين من النيوكليوتيدات ذات الصلة في تسلسل الحمض النووي أو الأحماض الأمينية في البروتينات.

ومع ذلك، حتى بعد أن تصبح "النسخ" المختلفة من جينات نفس العائلة غير متشابهة تمامًا مع بعضها البعض، فإنها غالبًا ما تؤدي وظيفة مماثلة. يظلون عائلة ودية للغاية! لكن عادةً ما يتم التعبير عن أفراد مختلفين من نفس العائلة في أوقات مختلفة أو في أنواع مختلفة من الخلايا. وهكذا، تم العثور على ثلاثين جينًا يشفر عوامل النمو المرتبطة بخلايا الجلد (الخلايا الليفية) في الجينوم البشري. ولكن في الكائنات الحية الدنيا يكون عدد هذه الجينات أقل بكثير (ذبابة الفاكهة والدودة لديها 2 فقط). مثال آخر هو الجينات التي تشفر الكيراتين - بروتينات الطبقة الخارجية من الجلد ومشتقاتها (الشعر والأظافر). الشخص لديه 111 منهم! ولكن هذا ليس الحد الأقصى. من المثير للدهشة أن الجينوم البشري يحتوي على حوالي 1000 نسخة من جينات المستقبلات الشمية.

أحيانًا ما تكون جينات العائلة التي تباعدت أثناء التطور البشري متناثرة في أماكن مختلفة على نفس الكروموسومات أو حتى على كروموسومات مختلفة. في هذه الحالة، يمكن مضاعفة الجين بأكمله، أو يمكن مضاعفة مجموعة صغيرة من إكسوناته أو حتى واحد فقط من إكسوناته.

تمامًا كما يوجد في الأسرة شخص غريب الأطوار، كذلك يوجد في عائلات الجينات أحيانًا أعضاء لا يزعجون أنفسهم بأي عمل. عادةً ما يرتبط خلل قدرتها على العمل في الخلية بتراكم الأخطاء المطبعية في نص الحمض النووي الخاص بها. تسمى هذه الجينات الطفيلية "الجينات الكاذبة".يسبقهم الحرف اليوناني ψ. ليس من الواضح تماما لماذا يحتاج الجينوم إلى مثل هذه الجينات، ولماذا حافظ عليها في التطور ولم يتخلص منها. لكن الحقيقة تظل حقيقة. تشير التقديرات إلى وجود حوالي 20.000 من هذه الجينات الكاذبة المنقرضة الشبيهة بالآثار في الجينوم البشري. على وجه الخصوص، في العائلة الضخمة من جينات المستقبلات الشمية، التي تتكون من حوالي 1000 جين، حوالي 60٪ منها عبارة عن جينات كاذبة. ويعتقد أن فقدانًا هائلًا للجينات الوظيفية قد حدث خلال الـ 10 مليارات سنة الماضية، ويرتبط ذلك بانخفاض دور الشم عند الإنسان مقارنة بالكائنات الفقارية الأخرى. هنا، على ما يبدو، مبدأ الموت بسبب الإهمال هو في العمل. لقد ثبت أن هناك آليتين على الأقل تؤديان إلى تكوين الجينات الكاذبة. تتضمن إحداها مضاعفة الجين الموجود (الازدواج)، ومن ثم تتراكم الطفرات في النسخة الإضافية التي تمنعها من العمل. ترتبط آلية أخرى بعملية الربط والنسخ العكسي. في mRNA المتكون، يتم تصنيع نسخة الحمض النووي الخاصة به، والتي يتم دمجها لاحقًا في الجينوم. لا تحتوي هذه الجينات الكاذبة على الإنترونات ولا على مناطق محفزة. بالإضافة إلى ذلك، مع مرور الوقت، تتراكم فيها العديد من الطفرات، مما يمنع هذه الجينات من توفير تخليق البروتين الطبيعي.

يمكن توضيح كل ما سبق من خلال مثال عائلة الجينات التي تشفر بروتينات الدم البشرية (الشكل 23). لدى البشر عائلتين من جينات الجلوبين (ألفا وبيتا). تقع هذه العائلات على كروموسومات مختلفة. تتكون كل عائلة من عدة أفراد، وهناك أيضًا جينات كاذبة. يتم التعبير عن جينات عائلة الجلوبين الطبيعية في خلايا الدم في مراحل مختلفة من التطور البشري. بعضها في الأجنة (ξ، ε)، والبعض الآخر في الجنين (G γ، A γ، a1)، والبعض الآخر في الكائن الحي البالغ (α2، δ، β). وظيفة جميع جينات الجلوبين هي نفسها - تخليق الجلوبينات المشاركة في نقل الأكسجين عن طريق خلايا الدم. ولديهم مكان عمل واحد – خلايا الدم الحمراء. إنها تختلف فقط في أنها يتم تشغيلها في أوقات مختلفة، ونتيجة لذلك تؤدي نفس الدور، ولكن في مراحل مختلفة من تطور الجسم.

أرز. 23.هيكل اثنين من مواقع الجينوم، يتكون من مجموعات من جينات الجلوبين البشرية ذات الصلة. تتم الإشارة إلى الجينات المعبر عنها بواسطة الأسهم (اتجاه النسخ)، ويتم الإشارة إلى الجينات الصامتة (الجينات الكاذبة) بواسطة المربعات

إن تنظيم مجموعات جينات الجلوبين في البشر هو بالضبط نفس تنظيم هذه الجينات في الغوريلا والبابون. ويشير هذا إلى أن مثل هذا التنظيم قد تشكل بالكامل منذ 20 إلى 40 مليون سنة ولم يتغير منذ ذلك الحين. سمح لنا تحليل الطفرات في المناطق الجينية باستخلاص استنتاج حول تطور ليس الجينات الفردية التي تم جمعها في مثل هذه المجموعة، ولكن المجموعة ككل سوبرجينا.

العديد من جينات عائلة الأكتين، التي تشفر البروتينات المقلصة للخلية، تتصرف بشكل مختلف. يتم التعبير عن هذه الجينات طوال الوقت تقريبًا، ويحدث التعبير عنها في الخلايا العضلية وفي العديد من الخلايا غير العضلية الأخرى. علاوة على ذلك، فإن وظيفة الأكتينات هي نفسها في كل مكان.

جمل جديدة من أجزاء من النصوص القديمة

يساهم تنظيم الجينات exon-intron في آلية أخرى لظهور جينات جديدة - إنشاء نصوص DNA جديدة من أجزاء قديمة. يتم تحقيق ذلك نتيجة "خلط" الإكسونات الموجودة مسبقًا، مما قد يؤدي إلى ظهور مزيج جديد من الإكسونات والبروتينات الجديدة بوظائف جديدة. يحدث هذا غالبًا بسبب عملية ربط الإكسونات الجديدة بالإكسونات القديمة. مثال على ذلك هو الحالة المعروضة في الشكل. 24.

أرز. 24.مثال على تكوين جينات جديدة بسبب مجموعات مختلفة من الإكسونات الموجودة. تم تصوير أربعة بروتينات مختلفة، تتكون من كتل مجال متشابهة (يشار إليها برموز مختلفة)، والتي تم ترميزها بواسطة إكسونات مختلفة

في عملية التطور، تم تشكيل جينات ذبابة الفاكهة trx والجين البشري من سلف مشترك آلر.الجين البشري hrxنشأت نتيجة للانضمام إلى الجين trxأربعة إكسونات جديدة. ويؤدي هذا إلى ظهور أربعة مجالات وظيفية جديدة في البروتين المشفر بواسطة هذا الجين، مما يغير خصائصه بشكل ملحوظ مقارنة بسابقه. هذا الوضع هو سمة عامة لجميع الكائنات العليا، ولكن في البشر يحدث 2-5 مرات في كثير من الأحيان، على سبيل المثال، في ذبابة الفاكهة أو الدودة.

بعد تلقي كل هذه المعلومات الجديدة العديدة حول خصوصيات تنظيم الجينات وتطورها لدى البشر (الوضع مشابه في الكائنات العليا الأخرى)، أصبح من الواضح أنه من الصعب جدًا إعطاء تعريف صارم لما هو الجين. ولكن حتى لو كان هذا التعريف موجودا اليوم، فإنه، مثل أي تعريف آخر، لا ينبغي اعتباره غير قابل للشفاء. ولا عجب أن سبينوزا قال: "كل تعريف هو قيد". ومع ذلك، بشكل عام، تبقى الفكرة الأساسية للجين صحيحة. الجين هو وحدة وراثية فيزيائية (قسم محدد من الحمض النووي) ووظيفية (تشفر البروتين أو الحمض النووي الريبي).

كم عدد الجينات التي يمتلكها الشخص؟

هذا هو السؤال الأكثر إثارة للاهتمام، والذي من أجله بدأ بالفعل التسلسل الكامل للجينوم البشري. بعد الحصول على معلومات أساسية حول بنية الجينوم البشري، تم في البداية إجراء تحليلات مختلفة للبحث عن الجينات وتحديد عددها. ومع ذلك، لم تكن المهمة سهلة. قد يبدو هذا غريباً للقارئ، لكن لا توجد حتى الآن إجابة واضحة على السؤال المطروح.

كم عدد الجينات الموجودة في الحمض النووي البشري؟ قبل بضع سنوات كان يُعتقد أن هناك حوالي 100 ألف منهم، ثم قرروا أنه لا يوجد أكثر من 80 ألفًا، وفي نهاية عام 1998 توصلوا إلى استنتاج مفاده أنه لا يوجد أكثر من 50-60 ألف جين. في الجينوم البشري وتمثل حوالي 3% من إجمالي طول الحمض النووي.

تم إجراء أحدث التقديرات للعدد الإجمالي للجينات في الجينوم البشري من قبل عدة فرق دولية من العلماء. أجرت شركة "Celera" المذكورة بالفعل أبحاثها الخاصة، والتي تم عرض نتائجها في مجلة "Science" في عام 2001. وتقدر العدد الإجمالي للجينات في الجينوم البشري بما يتراوح بين 26383 إلى 39114. ويقدر متوسط ​​حجم الجين بحوالي 3000 نقطة أساس. إذا افترضنا أن عدد الجينات في البشر يبلغ حوالي 30 ألف جين وكل جين يمثل حوالي 3 آلاف نقطة أساس، فمن السهل حساب أن أقل من 1.5٪ من الحمض النووي الكروموسومي يشارك في تشفير البروتين. وهكذا فإن التعليمات الوراثية لتكوين شخصية الإنسان تشغل أقل من 3 سنتيمترات على جزيء الحمض النووي الذي يبلغ طوله مترين. من المثير للدهشة أيضًا العدد الصغير من الجينات التي تحمل هذه التعليمات - فهناك خمسة أضعاف عددها فقط، على سبيل المثال، في كائن بدائي تمامًا مثل ذبابة ذبابة الفاكهة.

وقام فريق ثان من الباحثين من المعهد الوطني الأمريكي لأبحاث الجينوم، بقيادة فرانسيس كولينز، بحساب عدد الجينات في الشخص بشكل مستقل وبناء على بياناتهم، وحصلوا على نتيجة مماثلة - يوجد حوالي 32000 جين في جينوم كل منهم. خلية بشرية.

وحتى الآن، قام فريقان آخران من العلماء بعمل تناقضات في التقديرات النهائية. يواصل الدكتور ويليام هيسلتين (رئيس قسم علوم الجينوم البشري) الإصرار على أن بنكهم يحتوي على معلومات مخصخصة عن 120 ألف جين. لن يشارك هذه المعلومات مع المجتمع الدولي في الوقت الحالي. استثمرت الشركة الأموال في براءات الاختراع وتخطط لكسب المال من المعلومات التي تم الحصول عليها، من حيث صلتها بجينات الأمراض البشرية المنتشرة. وذكرت شركة إنسايت أن لديها حاليا كتالوجًا يضم 140 ألف جين بشري حددته، وتصر أيضًا على هذا العدد من إجمالي عدد الجينات لدى الإنسان.

ومن الواضح أن المعلومات الجينية التي تمت خصخصتها على عجل سوف تخضع للتحليل والتحقق بعناية في السنوات المقبلة، حتى يتم "تطويب" العدد الدقيق للجينات في النهاية. والحقيقة هي أن بنية الجينات متنوعة للغاية وأن جميع الخيارات الممكنة ليست مفهومة بالكامل بعد. لقد قرأنا هنا تسلسل نيوكليوتيدات الحمض النووي. وقد تقرر أنه قادر على تشفير البروتين. ولكن هل هو وحده؟ لقد ناقشنا أعلاه كيف يمكن للنسخ والتعديلات اللاحقة للحمض النووي الريبوزي (RNA)، ومن ثم ترجمة وتعديل البوليبيبتيدات، أن توفر مجموعة كبيرة ومتنوعة من البروتينات المشفرة بواسطة قسم واحد من الحمض النووي. وغالبًا ما يكون من المستحيل فهم ذلك بناءً على تسلسل نيوكليوتيدات الحمض النووي فقط. ومع ذلك، فإن بنية الجينوم تمثل الأساس الوحيد لفهم البيانات التي تم الحصول عليها من خلال اتجاهات جديدة، ولدت من علم الجينوم، مثل علم النسخ (الذي يدرس مجمل نسخ الحمض النووي الريبي في الجسم)، وعلم البروتينات (يدرس مجمل بروتينات الجسم). , التمثيل الغذائي (يدرس التمثيل الغذائي – التمثيل الغذائي – في الجسم). تهدف هذه الاتجاهات إلى استكمال طريقة التسلسل الجيني التي يقوم عليها علم الجينوم الهيكلي وتجعل من الممكن تجاوز حدود حلها.

تمت مناقشة الربط البديل أيضًا أعلاه. ومن المعروف الآن أنه بسبب هذه العملية، يمكن قراءة بروتينات مختلفة من نفس الجينات، والتي تتفاعل بعد ذلك مع بعضها البعض، وتشكل خليطًا فريدًا، تمامًا كما يمكن الحصول على عدد لا يحصى من الظلال من الألوان الأساسية في الرسم - الأصفر ، أحمر و أزرق. يعد هذا الربط نموذجيًا لنصف الجينات البشرية على الأقل. يُعتقد أنه، في المتوسط، يمكن تشكيل ثلاثة ببتيدات مختلفة من جين بشري واحد بسبب الربط البديل. لكن بعض الجينات تحتوي على ما يصل إلى 10 إكسونات مترابطة بشكل بديل، مما يسمح نظريًا بتوليد أكثر من 1000 نوع مختلف من البروتين من جين واحد فقط. في الواقع، يصل عدد البروتينات المختلفة المشفرة بواسطة جين واحد إلى 10. بالإضافة إلى ذلك، هناك أيضًا محفزات بديلة، وكودونات بدء ترجمة بديلة، وتحرير الحمض النووي الريبي (RNA) (تحويل C إلى U أو A إلى نظير G - إينوزين). كل ما سبق لا يمكن أخذه في الاعتبار بعد عند تقدير العدد الإجمالي للجينات لدى البشر.

ولكن هذا ليس كل شيء. بالإضافة إلى الجينات التي تشفر البروتينات، هناك أيضًا جينات يكون منتجها النهائي هو الحمض النووي الريبوزي (RNA). دعونا نتذكر جينات التنظيم الريبي المذكورة أعلاه - فهي لا تقوم بتشفير البروتينات، ولكنها تنتج الحمض النووي الريبي (RNA) الذي يعمل في الخلايا. لذلك، على الأرجح، لن يتم إجراء تقدير نهائي لعدد الجينات لدى البشر قريبًا.

وحتى الآن، يعرف العلماء وظائف حوالي ثمانية إلى عشرة آلاف منها فقط. والمعلومات التفصيلية حول آليات تنظيمها أكثر ندرة. ومع ذلك، فإن البيانات المذكورة أعلاه حول بنية وعمل الجينات البشرية تشير إلى أن الإنسان الذي يسود في الطبيعة، على عكس الكائنات الحية الأخرى الموجودة على كوكبنا، لديه درجة عالية من التعقيد بروتيني– مجموعة كاملة من البروتينات الوظيفية في الخلية، والتي يتم ضمانها ليس فقط بسبب الحجم الكبير للجينوم أو العدد الكبير من الجينات، ولكن بفضل جميع أنواع الابتكارات المرتبطة بعمل الجينات وتكوين البروتينات: عدد أكبر من وحدات المجال، التوافقيات (الخلط) الأعلى لهذه الوحدات في البروتينات، والاستخدام النشط للربط البديل وأكثر من ذلك بكثير، والتي سنتحدث عنها بعد ذلك.

مقال لمسابقة “بيو/مول/نص”: هذا سؤال مثير للاهتمام كان من المفترض أن يجيب عليه مشروع الجينوم البشري، الذي انتهى عام 2003. وبعد أن حصل العلماء على معلومات أساسية عن الجينوم البشري، حاولوا تحديد عدد الجينات، لكن هذه المهمة لم تكن بهذه البساطة. الغرض من هذه المقالة هو تلخيص وتحليل البيانات العلمية حول تجميع كتالوج الجينات البشرية.

الراعي العام للمسابقة هو شركة Diaem: أكبر مورد للمعدات والكواشف والمواد الاستهلاكية للبحث والإنتاج البيولوجي.

وقد أقيمت جائزة الجمهور برعاية مركز الوراثة الطبية.

"كتاب" الراعي الرسمي للمسابقة - "ألبينا غير روائية"

كم هو قليل ما نعرفه عن الجينات! المرة الأولى التي شعرت فيها بهذا الأمر بشدة كانت أثناء ممارستي لمختبر علم الوراثة الطبية في جامعة هاربين الطبية. كانت المجموعة البحثية التي تدربت فيها تدرس الجين الورمي Sei-1، الذي يحفز تكوين كروموسومات مدتها دقيقتين (DM)، والتي تساهم في تطوير تكوين الأورام. ومع ذلك، فإن آلية تكوين الجين الورمي Sei-1 لا تزال مجهولة حتى يومنا هذا. لكن الطفرات الجينية المختلفة هي سبب أمراض بشرية خطيرة أخرى، بالإضافة إلى السرطان. لذلك، في هذه المقالة سوف نلخص بعض الأفكار حول سبب عدم معرفتنا الكثير عن الجينات، وسنقوم أيضًا بصياغة رأينا حول عدد الجينات التي يمتلكها الشخص.

مشروع الجينوم البشري وقائمة كاملة من الجينات

يعد تحديد قائمة كاملة من الجينات أمرًا ضروريًا لتوضيح الآليات الجزيئية لحدوث وتطور السرطان والفصام والخرف والعديد من الأمراض البشرية الأخرى. إن تسلسل الحمض النووي المعزول من أنسجة المريض يجعل من الممكن تحديد الطفرات مثل بدائل النوكليوتيدات والحذف والإدراج المسؤولة عن حدوث هذه الأمراض.

في الواقع، هذا هو السبب وراء بدء مشروع الجينوم البشري ( مشروع الجينوم البشري HGP) والتي استمرت من عام 1990 إلى عام 2003. وكانت مهمتها الرئيسية هي تحديد تسلسل النيوكليوتيدات في الحمض النووي البشري وموقع 100000 جين بشري (كما كان يعتقد آنذاك). وبالتوازي، تم التخطيط لدراسة الحمض النووي لمجموعة من الكائنات الحية النموذجية من أجل الحصول على المعلومات المقارنة اللازمة لفهم عمل الجينوم البشري. كان من المفترض أن تصبح المعلومات التي تم الحصول عليها نتيجة لبرنامج HGP كتابًا مرجعيًا للعلوم الطبية الحيوية في القرن الحادي والعشرين. كانت أهداف هذه الدراسات هي الحصول على معلومات حول أسباب مجموعة من الأمراض، وفي نهاية المطاف، تطوير علاجات لأكثر من 4000 مرض وراثي يؤثر على البشرية، بما في ذلك الأمراض المتعددة العوامل التي تلعب فيها القابلية الوراثية دورًا مهمًا. كان يعتقد أن نتائج تسلسل الجينوم ستسمح لنا بتحديد موقع كل جين وعددها الإجمالي. ومع ذلك، فقد أثبتت الأحداث اللاحقة العكس: يوجد اليوم العديد من قواعد بيانات الجينات التي تختلف بشكل كبير عن بعضها البعض. علاوة على ذلك، فإن عدد جينات ترميز البروتين يتطابق، لكن عدد جينات الأنواع الأخرى يتباين.

مشروع البروتيوم البشري

في عام 2010 بمبادرة من منظمة دراسة البروتيوم البشري ( منظمة البروتينات البشرية HUPO) تم البدء بمشروع "البروتيوم البشري" ( HPP) ، والذي يهدف إلى إنشاء قائمة كاملة من البروتينات الخاصة بالأنواع الإنسان العاقل. للقيام بذلك، أولاً، من المفترض تحديد وتوصيف منتج بروتيني واحد على الأقل من جينات ترميز البروتين، وتعدد أشكالها أحادية النوكليوتيدات ومتغيرات الربط، بالإضافة إلى أنواع التعديل بعد الترجمة للبروتينات. ثانيًا، تساهم البيانات البروتينية التي تم الحصول عليها نتيجة تنفيذ HPP، بالإضافة إلى البيانات الجينومية، في حل المشكلات الطبية الحيوية المختلفة وإنشاء قواعد معرفية مشروحة جديدة، مثل neXtProt .

حالياً neXtProtيحتوي على معلومات حول 17,487 بروتينًا تم تأكيد وجودها تجريبيًا، و1,728 بروتينًا تم تأكيدها على مستوى النسخ، و515 بروتينًا تم تحديدها على أساس التماثل، و76 بروتينًا متوقعًا، و571 بروتينًا غير معروف الطبيعة. ومما يثير الاهتمام بشكل خاص البروتينات التي لم يتم إثبات وجودها تجريبيًا، على الرغم من وجود أدلة على أنها مشفرة بواسطة الجينوم. هذه هي ما يسمى بالبروتينات "المفقودة"، والتي تشكل حوالي 18٪ من جميع البروتينات المشفرة. تم إنشاء مورد لتحديد وتوصيف هذه البروتينات مفقودة بروتين بيديا .

البروتين البشري هو استمرار لمشروع الجينوم البشري. ومن المتوقع أنه بفضل مشروع البحث البروتيني، سنتعرف على العدد الدقيق للجينات المشفرة للبروتين، مما سيسمح لنا لاحقًا بفهم عدد الجينات التي يمتلكها الشخص.

قليلا عن الحمض النووي الريبي

لقد أظهر مشروع الجينوم البشري أن جزيئات الحمض النووي الريبي (RNA) لا تقل أهمية عن الحمض النووي (DNA) للحياة. هناك العديد من RNAs داخل الخلايا (الشكل 2). في البداية، يتم تقسيم الحمض النووي الريبي (RNA) إلى RNAs غير المشفرة (ncRNA)، والتي لا تترجم إلى بروتينات، و ترميز RNAs (مرنا)، بمثابة مصفوفة لتخليق سلاسل البروتين ببتيد. تحتوي RNAs غير المشفرة على تصنيف أكثر تعقيدًا. فهي البنية التحتية والتنظيمية. البنية التحتية RNAيتم تمثيلها بواسطة الريبوسوم RNA (rRNA) ونقل RNA (tRNA). يتم تصنيع جزيئات الرنا الريباسي (rRNA) في النواة وتشكل أساس الريبوسوم، كما تقوم أيضًا بتشفير بروتينات الوحدات الفرعية للريبوسوم. بمجرد تجميع الرنا الريباسي بشكل كامل، فإنها تنتقل إلى السيتوبلازم، حيث تشارك، كمنظمين رئيسيين للترجمة، في قراءة كود الرنا المرسال. يشير تسلسل القواعد النيتروجينية الثلاثة في mRNA إلى إدراج حمض أميني محدد في تسلسل البروتين. تقوم جزيئات الحمض الريبي النووي النقال بنقل هذه الأحماض الأمينية إلى الريبوسومات، حيث يتم تصنيع البروتين.

اقرأ المزيد عن الحمض النووي الريبي (RNA) في مقالات "الجزيئات الحيوية": " عن كل الـ RNAs في العالم، كبيرها وصغيرها», « ترميز RNAs غير المشفرة" و " قوة الخواتم: RNAs الدائرية القديرة» .

الشكل 2. أنواع الحمض النووي الريبي

ncRNAs التنظيميةيتم تمثيلها على نطاق واسع جدًا في الجسم، وتصنف حسب الحجم وتؤدي عددًا من الوظائف المهمة (الجدول 1).

الجدول 1. الرنا التنظيمي غير الترميز

اسم		تعيين	طول	المهام
RNAs الطويلة غير المشفرة		lncRNA، lncRNA	200 نيوكليوتيدات	1. تنظيم مثيلة الحمض النووي الانتقائي عن طريق توجيه ميثيل ترانسفيراز الحمض النووي 2. يوجهون الزراعة الانتقائية للمجمعات القامعة بوليكومب
الحمض النووي الريبي الصغيرة	RNAs النووية الصغيرة	سنرنا، سنرنا	150 نيوكليوتيدات	1. المشاركة في الربط 2. تنظيم نشاط عوامل النسخ 3. الحفاظ على سلامة التيلومير
	RNAs النووية الصغيرة	سنورنا، سنورنا	60-300 نيوكليوتيدات	1. المشاركة في التعديل الكيميائي للـ rRNA وtRNA وsnRNA 2. ربما يشارك في تثبيت بنية الرنا الريباسي (rRNA) والحماية من عمل الهيدروليزات
	الحمض النووي الريبي المتداخل الصغير	ميرنا، سيرنا	21-22 نيوكليوتيدات	1. توفير الحماية المناعية المضادة للفيروسات 2. قمع نشاط جيناتهم
	الحمض النووي الريبي الصغير	ميرنا، ميرنا	18-25 نيوكليوتيدات	قمع الترجمة عن طريق تدخل الحمض النووي الريبي
الحمض النووي الريبي المضاد للتحسس		asRNA	1. القصير: أقل من 200 نيوكليوتيدات 2. طويل: أكثر من 200 نيوكليوتيدات	كتلة الترجمة عن طريق تشكيل الهجينة مع مرنا
RNAs المرتبطة ببروتينات Piwi		بيرنا، بيويرنا	26-32 نيوكليوتيدات	ويطلق عليهم أيضًا اسم "حراس الجينوم"، حيث يقومون بقمع نشاط العناصر الوراثية المتنقلة أثناء التطور الجنيني

مشكلة المصطلحات

قبل الإجابة على السؤال: "كم عدد الجينات لدينا؟"، عليك أن تفهم ما هو الجين؟

كان التركيز الرئيسي لـ HGP على جينات ترميز البروتين. ومع ذلك، كما جاء في تقرير HGP الأصلي في عام 2001، " تنتج الآلاف من الجينات البشرية RNAs غير المشفرة (ncRNAs)، وهي منتجاتها النهائية"، على الرغم من أنه كان معروفًا في ذلك الوقت حوالي 706 جينًا من جينات ncRNA. في مقال نشر مؤخرا في المجلة بي إم سي علم الأحياءستيفن سالزبيرج ( ستيفن إل سالزبيرج) يعطي التعريف التالي للجين:

الجين هو أي جزء من الحمض النووي الصبغي الذي يتم نسخه إلى جزيء RNA وظيفي أو يتم نسخه أولاً إلى RNA ثم ترجمته إلى بروتين وظيفي.

يتضمن هذا التعريف كلاً من جينات الحمض النووي الريبي (RNA) غير المشفرة وجينات ترميز البروتين، ويسمح بتعريف جميع متغيرات الربط البديلة في موضع واحد على أنها متغيرات لنفس الجين. هذا يسمح لك بالاستبعاد الجينات الكاذبة– البقايا غير الوظيفية للجينات الهيكلية التي فقدت قدرتها على تشفير البروتينات.

أشارت نتائج الدراستين الأوليين إلى وجود 31.000 و26.588 جينًا مشفرًا للبروتين لدى الإنسان، وفي عام 2004 ظهر التسلسل الكامل للجينوم البشري، وقدر المؤلفون أن الكتالوج الكامل يحتوي على 24.000 جينًا مشفرًا للبروتين. كتالوج الجينات البشرية فرقةيتضمن 22287 جينًا لترميز البروتين و34214 نسخة.

تسلسل الجيل القادم (NGS)

ظهور أساليب الإنتاجية العالية التسلسل الموازي(في هذا النوع من التسلسل، يتم تسلسل ملايين أجزاء الحمض النووي من عينة واحدة في وقت واحد) أو تسلسل الجيل القادم (تسلسل الجيل القادم (NGS).) جعل من الممكن تسريع عملية البحث عن المناطق الوظيفية للجينوم بشكل كبير. قامت شركات التكنولوجيا الحيوية بتطوير وتسويق العديد من منصات تسلسل الغاز الطبيعي التي يمكنها التسلسل من مليون إلى عشرات المليارات من التسلسلات القصيرة (يقرأ، يقرأ) يبلغ طول كل منها 50-600 نيوكليوتيدات. تشمل المنصات الأكثر شعبية ما يلي: إلوميناو ايون تورنت، وذلك باستخدام تضخيم الحمض النووي بواسطة PCR، بالإضافة إلى منصات التسلسل أحادية الجزيء مثل هيليكوس للعلوم البيولوجية هيليسكوب, العلوم البيولوجية في المحيط الهادئ SMRT (تسلسل جزيء واحد في الوقت الحقيقي)، وتسلسل ثقب النانو أكسفورد نانوبور، والتي تقوم بالتسلسل في الوقت الفعلي وتسمح بقراءة قراءات أطول بشكل ملحوظ - ما يصل إلى 10-60 ألف نيوكليوتيدات. بالإضافة إلى ذلك، اختراع تسلسل الحمض النووي الريبي (RNA) RNA-seq) في عام 2008، والذي تم إنشاؤه لقياس التعبير الجيني، ساهم أيضًا في اكتشاف التسلسلات المكتوبة، سواءً RNA المشفر أو غير المشفر.

بفضل NGS، نمت قواعد بيانات lncRNAs وجينات RNA الأخرى (مثل microRNAs) بشكل كبير على مدار العقد، وتحتوي الآن كتالوجات الجينات البشرية الحالية على جينات ترميز RNA أكثر من جينات ترميز البروتين (الجدول 2).

الجدول 2. عدد أنواع الجينات المختلفة في قواعد البيانات التالية: جينكود, فرقة, مرجع, شطرنج

أنواع الجينات	جينكود	فرقة	مرجع	شطرنج
جينات ترميز البروتين	19 901	20 376	20 345	21 306
جينات RNA الطويلة غير المشفرة	15 779	14 720	17 712	18 484
الحمض النووي الريبي المضاد للتحسس	5501	-	28	2694
RNAs غير المشفرة الأخرى	2213	2222	13 899	4347
الجينات الكاذبة	14 723	1740	15 952	-
العدد الإجمالي للنصوص	203 835	203 903	154 484	323 827

كشف تسلسل الحمض النووي الريبوزي (RNA) أن الربط البديل، وبدء النسخ البديل، وإنهاء النسخ البديل تحدث بشكل متكرر أكثر بكثير مما كان يعتقد سابقًا، مما يؤثر على ما يصل إلى 95٪ من الجينات البشرية. لذلك، حتى لو كان موقع جميع الجينات معروفًا، يجب أولاً تحديد جميع الأشكال الإسوية لتلك الجينات وما إذا كانت هذه الأشكال الإسوية لها أي وظيفة أو تمثل ببساطة أخطاء الربط.

قواعد بيانات الجينات البشرية

لا تزال مهمة تجميع كتالوج لجميع الجينات لم يتم حلها بعد. تكمن المشكلة في أنه خلال الخمسة عشر عامًا الماضية، قامت مجموعتان بحثيتان فقط بتجميع قائمة بالجينات السائدة: مرجع والذي يدعمه المركز الوطني لمعلومات التكنولوجيا الحيوية ( نكبي) في المعاهد الوطنية للصحة ( المعاهد الوطنية للصحة)، و فرقة/جينكود ، والذي يدعمه المختبر الأوروبي للبيولوجيا الجزيئية ( إمبل). ومع ذلك، على الرغم من التقدم الكبير، فإن عدد جينات ترميز البروتين، وجينات الحمض النووي الريبي الطويلة غير المشفرة، والجينات الكاذبة في الكتالوجات يختلف الآن، كما يختلف أيضًا عدد RNAs المضاد للفيروس وRNAs غير المشفرة الأخرى (الجدول 2). لا تزال الفهارس قيد الانتهاء: في العام الماضي، على سبيل المثال، تمت إضافة أو إزالة مئات الجينات المشفرة للبروتين من القائمة جينكود. تفسر هذه الخلافات مشكلة إنشاء فهرس كامل للجينات البشرية.

في عام 2017، تم إنشاء قاعدة بيانات جديدة للجينات البشرية - شطرنج . والجدير بالذكر أنه يشمل جميع جينات ترميز البروتين مثل جينكود، لذا مرجع، لذلك المستخدمين شطرنجلا حاجة لتحديد قاعدة البيانات التي يفضلونها. المزيد من الجينات قد يسبب المزيد من الأخطاء، لكن المبدعين يعتقدون أن مجموعة أكبر ستكون مفيدة في دراسة الأمراض البشرية التي لم يتم تصنيفها بعد على أنها وراثية. مجموعة الجينات شطرنجحاليًا في الإصدار 2.0، لم يصبح نهائيًا بعد، ومن المؤكد أن المبدعين يعملون على تحسينه.

ما هو الجينوم البشري؟ منذ متى تم استخدام هذا المصطلح في العلوم، ولماذا هذا المفهوم مهم جدًا في عصرنا؟

الجينات البشرية- مجموع المادة الوراثية الموجودة في الخلية. يتكون من 23 زوجًا.

الجينات هي قطع فردية من الحمض النووي. وكل واحد منهم مسؤول عن بعض الصفات أو جزء من الجسم: الطول، ولون العين، ونحو ذلك.

عندما يتمكن العلماء من "فك تشفير" المعلومات المسجلة على الحمض النووي بشكل كامل، سيكون الناس قادرين على محاربة الأمراض الموروثة. علاوة على ذلك، ربما سيكون من الممكن حل مشكلة الشيخوخة.

في السابق كان يعتقد أن عدد الجينات في أجسامنا يزيد عن مئات الآلاف. ومع ذلك، فقد أكدت الدراسات الدولية الحديثة أن هناك ما يقرب من 28000 جينة في جسمنا. حتى الآن، تمت دراسة بضعة آلاف منهم فقط.

يتم توزيع الجينات بشكل غير متساو عبر الكروموسومات. لماذا يحدث هذا، العلماء لا يعرفون حتى الآن.

تقرأ خلايا الجسم باستمرار المعلومات المكتوبة في الحمض النووي. يقوم كل واحد منهم بعمله: توزيع الأكسجين في جميع أنحاء الجسم، وتدمير الفيروسات، وما إلى ذلك.

ولكن هناك أيضًا خلايا خاصة - خلايا تكاثرية. عند الرجال تكون الحيوانات المنوية، وعند النساء تكون البويضات. أنها لا تحتوي على 46 كروموسومات، ولكن بالضبط نصف - 23.

عندما تندمج الخلايا الجنسية، ينتهي الأمر بالكائن الحي الجديد بمجموعة كاملة من الكروموسومات: نصفها من الأب ونصفها من الأم.

هذا هو السبب في أن الأطفال يشبهون إلى حد ما كل من والديهم.

عادة ما تكون عدة جينات مسؤولة عن نفس السمة. على سبيل المثال، طولنا يعتمد على 16 وحدة من الحمض النووي. وفي الوقت نفسه، تؤثر بعض الجينات على عدة سمات في وقت واحد (على سبيل المثال، أصحاب الشعر الأحمر لديهم لون بشرة فاتح ونمش).

يتم تحديد لون عين الشخص من خلال جينتين، والمسؤولة عن العيون البنية هي المهيمنة. وهذا يعني أنه من المرجح أن يظهر نفسه عندما "يلتقي" بجين آخر.

لذلك، من المرجح أن يكون للأب ذو العيون البنية والأم ذات العيون الزرقاء طفل ذو عيون بنية. الشعر الداكن والحواجب الكثيفة والغمازات على الخدين والذقن هي أيضًا علامات سائدة.

لكن الجين المسؤول عن العيون الزرقاء متنحي. تظهر مثل هذه الجينات بشكل أقل تكرارًا إذا كان كلا الوالدين يمتلكانها.

نأمل أن تعرف الآن ما هو الجينوم البشري. وبالطبع قد يفاجئنا العلم في المستقبل القريب باكتشافات جديدة في هذا المجال. لكن هذه مسألة للمستقبل.

إذا كنت تحب الحقائق المثيرة للاهتمام حول كل شيء، فاشترك في أي شبكة اجتماعية. إنه دائمًا ممتع معنا!

هل اعجبك المنشور؟ اضغط على أي زر.