Toistot ovat avainasemassa ihmiskunnan genomin ymmärtämisessä

Ihmisen kromosomit (harmaat), joita peittävät telomeerit (valkoiset). Luotto: PD-NASA; PD-USGOV-NASA

Se oli kuin New Yorkin kartta, josta puuttui koko Manhattan. Ihmisen referenssigenomissa on vihdoin kaikki tyhjät kohdat täytetty, ja kaiken sen näkeminen, minkä missasimme ensimmäisellä kerralla, on sekä toistoa että valaisevaa.

“Ymmärrämme, että ihmisillä on paljon vaihtelua”, sanoo geneetikko Rachel O’Neill, UConn’s Institute for Systems Genomicsin johtaja. Ja kohtalon kontraintuitiivisessa käänteessä variaatio tulee suurelta osin toistoista.

Huomattava määrä ihmisen geneettistä materiaalia osoittautuu pitkiksi, toistuviksi osiksi, joita esiintyy yhä uudelleen. Vaikka jokaisella ihmisellä on joitain toistoja, kaikilla ei ole niitä yhtä monta. Ja ero toistojen lukumäärässä on se, missä suurin osa ihmisen geneettisestä vaihtelusta löytyy.

Tämä oivallus – että toistot ovat tärkeitä – on yksi monista merkittävistä havainnoista Telomere-2-Telomere (T2T) -projektissa, joka kattaa instituutioiden yhteistyön, jotka täyttivät alkuperäisen ihmisen genomikokoonpanon puuttuvat osat. O’Neill on tämän projektin päätutkija ja kirjoittaja neljässä kuudesta vuonna julkaistusta T2T-paperista. Tiede maaliskuun 31. päivänä.

“Tarvitti uusien DNA-sekvensointi- ja laskennallisten analyysimenetelmien keksimisen sekä huomattavan tutkijaryhmän omistautumisen, jotta saatiin päätökseen 8 %:n lukeminen ihmisen genomista, joka oli rakenteeltaan liian monimutkainen ja toistuva, jotta sitä voitaisiin ratkaista. vuotta sitten. Odottaminen kannatti – paljastuu suuri joukko yllättäviä arkkitehtonisia piirteitä, joilla on suuria seurauksia ihmisen evoluution, vaihtelun ja biologisen toiminnan ymmärtämiseen”, sanoo Francis Collins, Valkoisen talon tiedeneuvonantaja ja National Institutes of the National Institutesin entinen johtaja. Terveys.

Niin hämmästyttävää kuin se tuohon aikaan olikin, alkuperäinen Human Genome Project jätti noin 8 % genomista tyhjäksi.

“Se vastaa koko kromosomia ihmisen DNA:ssa”, O’Neill sanoo. Viimeinen 8 % sisältää lukuisia geenejä ja toistuvia alueita. Suurin osa äskettäin lisätyistä DNA-sekvensseistä oli lähellä toistuvia telomeerejä (kunkin kromosomin pitkät, loppupäät) ja sentromeerejä (kunkin kromosomin tiheitä keskiosia).

Aihiot olivat tulosta Human Genome Projectin käyttämästä “lyhyesti luettavasta” tekniikasta. Se oli ainoa genomikartoitustekniikka, joka oli saatavilla 20 vuotta sitten, ja se pystyi lukemaan vain muutaman sanan geneettisestä koodista kerrallaan. Kuvittele esimerkiksi genomin osa, joka koostuu lauseesta “Kaikki työ ja ei leikki tekee Jackista tylsän pojan”, toistetaan yhdeksän kertaa peräkkäin. Lyhytlukutekniikka paljastaisi vain osia siitä, kuten “Kaikki toimivat”, “Jack a”, “Makes Jack” jne. Tutkijat kokosivat nämä lyhyet osat yhteen saadakseen lauseen “Kaikki työ ja leikkiminen tekee Jackista tylsän pojan”, mutta he eivät voineet tietää, että se toistettiin yhdeksän kertaa.

T2T-projektissa oli kuitenkin parempia työkaluja. Uusi pitkään luettava DNA-tekniikka pystyy lukemaan kokonaisia ​​lauseita, jopa kappaleita kerrallaan. Joten tutkijat pystyivät näkemään suuria paloja tai jopa kokonaisia ​​osia toistoista.

“Ihmisen genomista todella aukoton sekvenssin luominen on tärkeä virstanpylväs. Olisimme halunneet tehdä tämän 20 vuotta sitten, mutta tekniikan oli edettävä. Tämä uusi referenssi on todella vankka pohja, jossa ei ole halkeamia ja jonka varassa voi ymmärtää ihmisen biologia. Ei ole puuttuvia palasia!” sanoo Bob Waterston, Washingtonin yliopiston biologi, joka työskenteli alkuperäisen ihmisgenomiprojektin parissa.

Monet uransa alkuvaiheessa olevat tutkijat ja harjoittelijat olivat keskeisessä roolissa T2T-projektissa. UConnissa Savannah Hoyt, Gabrielle Hartley ja Patrick Grady Rachel O’Neillin laboratoriossa ja Luke Wojenski Leighton Coren laboratoriossa olivat syvästi mukana työhön. Yksi heidän suurimmista panoksistaan ​​oli genomin toistoluettelon kehittäminen. He havaitsivat, että toistuvat osiot sisälsivät liikkuvia elementtejä, jotka ovat osia, jotka pystyvät hyppäämään genomin yhdestä osasta toiseen (klassinen esimerkki ovat hyppygeenit, jotka johtavat maissinjyvien värimuutoksiin, kuten punaisesta valkoiseksi); virukset; ja uusia toistoja, joita kukaan ei ollut aiemmin tunnistanut, mukaan lukien jotkut, jotka kantavat geenejä. Jotkut jättimäiset toistot, joissa on 10, 20 tai 30 kopiota, toistuvat peräkkäin ja sisältävät geenejä, jotka voivat selittää suuren osan ihmisten monimuotoisuudesta. Aiemmassa esimerkkilauseessa kuvittele, että “Jack” on geeni. Yhdellä henkilöllä voi olla 5 kopiota siitä. Toisella voi olla 25.

T2T-tiimi sai ensimmäisen katsauksen täydellisiin sekvensseihin jokaisen ihmisen kromosomin keskusosissa. Sentromeereiksi kutsuttuja ne yhdistävät kunkin X-muotoisen kromosomin eri haarat yhteen. O’Neillin tiimi havaitsi, että sentromeerit sisältävät tunnettuja liikkuvia elementtejä sekä uusia toistoja. Suuri osa sentromeerin DNA:sta näyttää olevan tärkeä solun geneettisen tiedon ylläpitämiseksi sukupolvien ajan. Sentromeerien tiedetään jo osallistuvan DNA:n replikaatioon solujen lisääntyessä, ja jos ne muuttavat asemaansa kromosomissa merkittävästi, ne voivat synnyttää kokonaan uusia lajeja. T2T-projektin rakentamat täydelliset, aukottomat sentromeerisekvenssit mahdollistavat paljon vivahteikkaamman ymmärryksen ihmisen sentromeereistä ja niiden toiminnasta. Ihmisgenetiikan tutkimuksen seuraavat vaiheet voivat käyttää täydellistä T2T-genomikokoonpanoa ponnahduskohtana DNA:mme mielenkiintoisten alueiden tunnistamiseen.

“Seuraava tutkimusvaihe sekvensoi monien eri ihmisten genomit, jotta voidaan täysin ymmärtää ihmisten monimuotoisuus, sairaudet ja suhteemme lähimpiin sukulaisiin, muihin kädellisiin”, O’Neill sanoo.


Koko ihmisen genomin lukeminen – yksi pitkä lause kerrallaan


Lisää tietoa:
Savannah J. Hoyt et ai., Telomeerista telomeeriin: ihmisen toistuvien elementtien transkriptionaalinen ja epigeneettinen tila, Tiede (2022). DOI: 10.1126/science.abk3112. www.science.org/doi/10.1126/science.abk3112

Palvelun tarjoaa Connecticutin yliopisto

Lainata: Toistot ovat avainasemassa ihmiskunnan genomin ymmärtämisessä (2022, 31. maaliskuuta), haettu 31. maaliskuuta 2022 osoitteesta https://phys.org/news/2022-03-key-humanity-genome.html

Tämä asiakirja on tekijänoikeuden alainen. Lukuun ottamatta reilua kaupankäyntiä yksityistä opiskelua tai tutkimusta varten, mitään osaa ei saa kopioida ilman kirjallista lupaa. Sisältö on tarkoitettu vain tiedoksi.

Leave a Comment