Putuka genoomi dešifreerimisel leiti, et. Inimese genoomi dešifreerimine
täielikult määratletud. Seetõttu tuleks nematoodi genoomi dešifreerimist pidada väga edukaks.
Veelgi suurem edu on seotud Drosophila genoomi dekodeerimisega, ainult aastal
2 korda väiksem kui inimese DNA ja 20 korda suurem kui nematoodi DNA. Vaatamata Drosophila kõrgetele geneetilistele teadmistele, oli umbes 10% tema geenidest kuni selle hetkeni teadmata. Kuid kõige paradoksaalsem on tõsiasi, et Drosophila, palju paremini organiseeritud kui nematoodil, osutus vähem geene kui mikroskoopilisel ümarussil! Seda on tänapäevaste bioloogiliste positsioonide põhjal raske seletada. Rohkem geene kui Drosophilal on ka ristõieliste sugukonda kuuluva taime - Arabidopsis - dekodeeritud genoomis, mida geneetikud kasutavad laialdaselt klassikalise katseobjektina.
Genoomiprojektide arendamisega kaasnes paljude teaduse ja tehnoloogia valdkondade intensiivne areng. Niisiis sai bioinformaatika oma arenguks võimsa tõuke. Loodi uus matemaatiline aparaat tohutu hulga teabe salvestamiseks ja töötlemiseks; projekteeritud on enneolematu võimsusega superarvutisüsteemid; on kirjutatud tuhandeid programme, mis võimaldavad mõne minutiga läbi viia erinevate teabeplokkide võrdlevat analüüsi, sisestada igapäevaselt uusi andmeid arvuti andmebaasidesse,
saadud erinevatest laboritest üle maailma ja kohandada uut teavet varem kogutuga. Samal ajal töötati välja süsteemid erinevate genoomi elementide tõhusaks eraldamiseks ja automaatseks sekveneerimiseks, see tähendab DNA nukleotiidjärjestuste määramiseks. Selle põhjal on loodud võimsad robotid, mis kiirendavad oluliselt järjestamist ja muudavad selle odavamaks.
Genoomika areng on omakorda viinud avastuseni tohutu hulk uusi fakte. Paljude nende olulisust tuleb veel hinnata
tulevik. Kuid isegi praegu on ilmne, et need avastused viivad paljude teoreetiliste seisukohtade ümbermõtlemiseni erinevate eluvormide tekke ja arengu kohta Maal. Need aitavad paremini mõista üksikute rakkude toimimise aluseks olevaid molekulaarseid mehhanisme ja nende koostoimeid; paljude senitundmatute biokeemiliste tsüklite üksikasjalik dešifreerimine;
nende seose analüüs fundamentaalsete füsioloogiliste protsessidega.
Seega toimub üleminek struktuurselt genoomikalt
funktsionaalne, mis omakorda loob eeldused selleks
raku ja organismi kui terviku töö molekulaarse aluse uuringud.
Juba kogutud teavet analüüsitakse ajal
järgmised paarkümmend aastat. Aga iga järgmine samm sisse
genoomide struktuuri dešifreerimise suund erinevad tüübid, genereerib uusi tehnoloogiaid, mis hõlbustavad teabe hankimise protsessi. Niisiis,
madalama organiseeritud elusolendiliikide geenide ehituse ja talitluse andmete kasutamine võib otsingut oluliselt kiirendada
tõrjuvad välja üsna aeganõudvad geeniotsingu molekulaarsed meetodid.
Konkreetse liigi genoomi struktuuri dešifreerimise kõige olulisem tagajärg on võime tuvastada kõik selle geenid ja
vastavalt transkribeeritud RNA molekulide ja kõigi selle valkude molekulaarse olemuse tuvastamine ja määramine. Analoogiliselt genoomiga sündisid mõisted transkriptoom, mis ühendab transkriptsiooni tulemusena moodustunud RNA molekulide kogumit, ja proteoom, mis hõlmab paljusid geenide poolt kodeeritud valke. Seega loob genoomika aluse uute teaduste – proteoomika ja – intensiivseks arenguks transkriptoomika. Proteoomika tegeleb iga valgu struktuuri ja funktsiooni uurimisega; raku valgu koostise analüüs; üksiku raku funktsioneerimise molekulaarse aluse määramine, mis on
paljude sadade valkude koordineeritud töö tulemus ja
organismi fenotüübilise tunnuse kujunemise uurimine,
mis on miljardite rakkude koordineeritud töö tulemus.
Väga olulised bioloogilised protsessid toimuvad ka RNA tasemel. Nende analüüs on transkriptoomika teema.
Paljude maailma riikide genoomika valdkonnas tegutsevate teadlaste suurimad jõupingutused olid suunatud rahvusvahelise projekti "Inimese genoom" lahendamisele. Märkimisväärne edasiminek selles valdkonnas on seotud idee elluviimisega,
J. S. Venteri pakutud, otsida ja analüüsida
ekspresseeritud DNA järjestused, mida saab hiljem kasutada teatud genoomi osade "märgistuste" või markeritena. Veel ühe iseseisva ja mitte vähem viljaka lähenemise võttis omaks Fr. juhitud rühma töö.
Collins. See põhineb inimese pärilike haiguste geenide esmasel tuvastamisel.
Inimgenoomi struktuuri dešifreerimine viis sensatsioonilise avastuseni. Selgus, et inimese genoomis on vaid 32 000 geeni, mis on kordades vähem kui valkude arv. Samal ajal on valke kodeerivaid geene vaid 24 000, ülejäänud geenide saadused on RNA molekulid.
Erinevate indiviidide, etniliste rühmade ja rasside DNA nukleotiidjärjestuste sarnasusprotsent on 99,9%.
See sarnasus teebki meist inimese – Homo sapiens! Kogu meie varieeruvus nukleotiidide tasemel mahub väga tagasihoidliku numbri sisse – 0,1%.
Seega ei jäta geneetika ruumi rahvusliku või rassilise üleoleku ideedele.
Kuid vaadake üksteisele otsa – me kõik oleme erinevad. Rahvuslikud ja veelgi enam rassilised erinevused on veelgi märgatavamad. Niisiis, kui palju mutatsioone määrab inimese varieeruvuse mitte protsentides, vaid absoluutarvudes? Selle hinnangu saamiseks peate meeles pidama, milline on genoomi suurus. Inimese DNA molekuli pikkus on
3,2x109 aluspaari. 0,1% sellest on 3,2 miljonit nukleotiidi. Kuid pidage meeles, et genoomi kodeeriv osa hõivab vähem kui 3% DNA molekuli kogupikkusest ja väljaspool seda piirkonda toimuvad mutatsioonid ei mõjuta enamasti fenotüübilist varieeruvust. Seega, et saada fenotüüpi mõjutavate mutatsioonide arvu terviklik hinnang, peate võtma 3% 3,2 miljonist nukleotiidist, mis annab meile arvu suurusjärgus 100 000. See tähendab, et umbes 100 tuhat mutatsiooni moodustavad meie fenotüübi. varieeruvus. Kui võrrelda seda arvu geenide koguarvuga, siis selgub, et keskmiselt on 3-4 mutatsiooni geeni kohta.
Mis need mutatsioonid on? Valdav enamus (vähemalt 70%)
määrab meie individuaalse mittepatoloogilise varieeruvuse, mis meid eristab, kuid ei tee meid üksteise suhtes halvemaks. See hõlmab selliseid funktsioone nagu silmad, juuksed, nahavärv, kehatüüp, pikkus, kaal,
käitumistüüp, mis on samuti suuresti geneetiliselt määratud ja palju muud. Umbes 5% mutatsioonidest on seotud monogeensete haigustega. Umbes veerand ülejäänud mutatsioonidest kuulub funktsionaalsete polümorfismide klassi. Nad osalevad päriliku eelsoodumuse kujunemisel laialt levinud multifaktoriaalsele patoloogiale. Muidugi on need hinnangud üsna umbkaudsed.
kuid need võimaldavad meil hinnata inimese päriliku varieeruvuse struktuuri.
Peatükk 1.16. Evolutsiooni molekulaargeneetilised alused
aastatuhande vahetusel toimunud revolutsioon molekulaarbioloogias, mis kulmineerus sadade mikroorganismide liikide, aga ka teatud tüüpi algloomade genoomide struktuuri dešifreerimisega,
pärm, taimed, loomad ja inimesed, muutis paljusid klassikalise geneetika traditsioonilisi ideid ja tõi lähemale võimaluse uurida evolutsiooni ja eristumise molekulaarseid mehhanisme. Sündis uus teadus – võrdlev genoomika,
mis võimaldab registreerida üksikute molekulide tasandil toimuvate evolutsiooniliselt oluliste sündmuste esinemist erinevates fülogeneetilistes liinides. Selgus, et üldiselt ei seostata evolutsioonilist progressi mitte ainult ja mitte niivõrd geenide struktuurilise korralduse arvu, pikkuse ja isegi keerukuse suurenemisega, vaid palju suuremal määral. rohkem nende töö regulatsiooni muutusega, mis määrab kümnete tuhandete geenide ekspressiooni koordinatsiooni ja koespetsiifilisuse. Lõppkokkuvõttes viis see selleni, et kõrgemates organismides ilmnesid keerulisemad, väga spetsiifilised, multifunktsionaalsed kompleksid interakteeruvad valgud, mis on võimelised täitma põhimõtteliselt uusi ülesandeid.
Vaatleme evolutsiooniprotsessis toimuvate muutuste olemust kolmel teabetasandil: DNA - RNA - valk või genoom - transkriptoom - proteoom. Üldiselt võib öelda, et elukorralduse keerukuse kasvades suureneb genoomi suurus. Seega ei ületa prokarüootse DNA suurus 8x106 aluspaari, pärmis ja algloomades muutub see kaks korda suuremaks, putukatel 10-15 korda suuremaks ja imetajatel ulatub suurenemine 3 suurusjärku ehk tuhat korda ( 103).
See suhe ei ole aga lineaarne. Nii et imetajate puhul ei näe me enam genoomi suuruse olulist suurenemist. Lisaks ei ole alati võimalik jälgida seost genoomi suuruse ja elukorralduse keerukuse vahel. Nii on mõnel taimel genoomi suurus suurusjärgu või isegi kaks suurusjärku suurem kui inimestel. Tuletame meelde, et eukarüootse genoomi suuruse suurenemine võrreldes prokarüootidega toimub peamiselt mittekodeerivate järjestuste, st valikuliste elementide ilmumise tõttu. Oleme juba öelnud, et inimese genoomis on eksoneid kokku mitte rohkem kui 1-3%. Ja see tähendab, et geenide arv kõrgemates organismides võib olla vaid mitu korda suurem kui mikroorganismides.
Eukarüootsete organisatsioonide keerukuse suurenemine on osaliselt tingitud selle tekkest lisasüsteem regulatsioon vajalik
koespetsiifilise geeniekspressiooni tagamine. Eukarüootides tekkinud geenide katkendliku organiseerimise üks tagajärgi oli alternatiivse splaissimise ja alternatiivse transkriptsiooni laialdane kasutamine. See tõi kaasa uue omaduse tekkimise tohutul hulgal geenides – võime kodeerida mitut funktsionaalselt erinevat valgu isovormi. Seega valkude koguhulk
ehk proteoomi suurus, kõrgematel võib olla mitu korda rohkem geene.
Prokarüootides on geenide arvu liigisisene varieeruvus vastuvõetav ja
sarnased erinevused paljude mikroorganismide erinevate tüvede vahel, in
sealhulgas patogeenid, võib olla kümneid protsenti. Organisatsiooni keerukus aga mitmesugused Mikroorganismid on otseselt korrelatsioonis kodeerivate järjestuste arvu ja pikkusega.
Seega on fenotüübiline liikidevaheline ja liikidevaheline varieeruvus tihedas seoses transkriptoomi ja proteoomi suurusega, mis on oma väärtustes väga sarnased. Eukarüootides on geenide arv jäigalt määratud liigitunnus ja evolutsioonilise keerukuse kasv põhineb teisel põhimõttel – piiratud ja üsna stabiilse proteoomi erinevate komponentide diferentseeritud mitmetasandilisel kasutamisel.
Nematoodide ja Drosophila genoomide järjestamine on näidanud, et nende väga erinevate liikide proteoomide suurused on väga lähedased ja ainult kaks korda suuremad kui pärmi ja mõnede bakteriliikide puhul. See seaduspärasus – erinevate eluvormide korralduse keerukuse märkimisväärne suurenemine, säilitades või suhteliselt vähe suurendades proteoomi suurust – on iseloomulik kogu järgnevale evolutsioonile kuni inimeseni välja. Niisiis,
inimese ja hiire proteoomid praktiliselt ei erine üksteisest ja on vähem kui 2 korda suuremad kui mikroskoopilise nematoodi ussi või Drosophila äädikakärbse proteoomid. Veelgi enam, inimese DNA nukleotiidjärjestuste identsus ja
suur Aafrika ahvid on 98,5% ja kodeerimispiirkondades ulatub 99%. Need arvud erinevad vähe 99,9% väärtusest.
meie planeedil elavate erinevate indiviidide, rahvaste ja rasside DNA nukleotiidjärjestuste liigisisese sarnasuse määramine. Millised on siis peamised muutused, mis moodustavad inimese kujunemisel mitte rohkem kui 1,5% kogu genoomist? Ilmselt tuleks sellele küsimusele vastust otsida mitte ainult genoomilisel ja proteoomilisel tasandil.
Tõepoolest, koos proteoomi suhtelise stabiilsusega, in
Evolutsiooni käigus suureneb järsult eukarüootse transkriptoomi korralduse suurus ja keerukus, mis on tingitud tohutul hulgal transkribeeritud ja mittekodeeriva DNA ilmumisest genoomis, samuti transkriptsiooni olulise laienemise tõttu. RNA-d kodeerivate geenide klass. RNA-d, mis ei kodeeri valke, mille peamiseks allikaks on intronid,
moodustavad suurema osa kõrgemate organismide transkriptsioonist,
ulatudes 97-98% kõigist transkriptsiooniühikutest. Praegu analüüsitakse nende molekulide funktsioone intensiivselt.
Seega toimuvad peamised evolutsioonilised muutused genoomi suuruse suurenemise, üsna stabiilse proteoomi ja transkriptoomi suuruse järsu suurenemise taustal (joonis 1). 31.
Joonis 31. Kolmel toimuvad evolutsioonilised muutused
infotasandid Samas on üleminek lihtsatelt eluvormidelt keerulisematele ilmselgelt
korreleerub genoomis kahe fundamentaalse ja teatud määral omavahel seotud evolutsioonilise omandamise tekke ja laialdase levikuga: mittekodeeriv DNA ja korduvad elemendid. Nende genoomsel tasemel toimuvate muutuste otsene tagajärg on tohutu hulga RNA-de ilmumine evolutsiooniprotsessi, mis ei kodeeri valke.
Mis on nende evolutsiooniliste muutuste struktuurne alus?
Kõigi suuremate evolutsiooniliste üleminekutega: prokarüootidest eukarüootideni, algloomadest mitmerakulisteks organismideks, esimestest loomadest kahepoolseteks ja primitiivsetest akordidest selgroogseteks kaasnes genoomi keerukuse järsk tõus. Ilmselt on sellised hüpped evolutsioonis harvaesinevate süstemaatilistesse klassidesse kuuluvate liikide tervete genoomide eduka sulandumise tulemus, mis lahknesid üksteisest märkimisväärsel kaugusel. Seega tähistas Archaea ja Bakterite sümbioos prokarüootidelt eukarüootidele ülemineku algust. Ilmselgelt tekkisid endosümbioosi tagajärjel ka mitokondrid, kloroplastid ja mõned teised rakuorganellid. Kõrgemate eukarüootide põhiomadus, diploidsus, tulenes hästi reguleeritud genoomsest dubleerimisest, mis toimus umbes 500 miljonit aastat tagasi.
Genoomiline dubleerimine liigisiseselt toimus üsna sageli ja
selle näideteks on arvukad polüploidsuse juhtumid taimedes,
seened ja mõnikord isegi loomad. Siiski võimalikud mehhanismid
Põhimõtteliselt uute eluvormide tekkeni evolutsiooniprotsessis ei ole autopolüploidsus, vaid genoomide hübridiseerumine ja horisontaalne ülekanne või liitmine. Tähelepanuväärne on, et kõige olulisemad evolutsioonilised transformatsioonid, millega kaasneb tervete genoomide sulandumine, toimuvad erakorralistes tingimustes, suurte geoloogiliste üleminekute perioodidel, nagu atmosfääri hapnikukontsentratsiooni muutused, Maa jäätumine või Kambriumi plahvatus.
Suhteliselt rahulikes geoloogilistes tingimustes osutuvad evolutsiooni seisukohalt olulisemaks üksikute geenide või kromosoomi segmentide dubleerimine koos nende hilisemate lahknemisega. Järjestatud genoomide nukleotiidjärjestuste võrdlus näitab, et geenide dubleerimise sagedus on üsna kõrge ja keskmiselt 0,01 geeni kohta miljoni aasta kohta. Valdav enamus neist ei avaldu järgmise mitme miljoni aasta jooksul ja ainult harvadel juhtudel
juhtudel võivad dubleeritud geenid omandada uusi adaptiivseid funktsioone. Sellegipoolest toimib suur hulk "vaikivaid" geenide dubleerimist omamoodi reservfondina uute geenide sünniks ja uute liikide tekkeks. Inimese genoom sisaldab 10 000 kuni 20 000 koopiat töödeldud geenidest, mis on tekkinud mRNA retropositsioonil.
Enamik neist kuulub pseudogeenide klassi, see tähendab, et neid ei ekspresseerita ei mutatsioonide olemasolu ega genoomi transkriptsiooniliselt inaktiivsetesse piirkondadesse sisestamise tõttu. Mõned neist geenidest on aga aktiivsed ning nende ekspressiooni iseloom ja isegi funktsioonid võivad olla erinevad,
kui geenide rajamine.
Erilist rolli mängivad primaatide ja inimeste evolutsioonis segmentaalsed dubleerimised mis kuuluvad madala koopiaga korduste (LCR) klassi ja
tekkis vähem kui 35 miljonit aastat tagasi. Need järjestused on väga identsed DNA plokid, mille suurus varieerub ühest kuni mitmesaja kiloaluseni. Kõige sagedamini lokaliseeruvad segmentaalsed dubleerimised erinevate kromosoomide peritsentromeersetes või telomeersetes piirkondades ning kokku hõivavad need umbes 5% inimese genoomist.
Teistes järjestatud genoomides segmentaalseid dubleerimist ei leitud.
Segmendilise dubleerimise väikseim ühik, mida nimetatakse duplikoniks, sisaldab sõltumatute töötlemata geenide fragmente ja
see eristab seda teistest tuntud korduvate järjestuste tüüpidest. Kell teatud tingimused duplikonid võivad olla allikad uute kimäärsete transkribeeritud geenide või geeniperekondade loomiseks nendes esinevate kodeerivate eksonite erinevatest kombinatsioonidest. Mõnede hinnangute kohaselt suudab šimpansi ja inimese genoomi eristada 150–350 geeni.
Vähendamata uute kodeerivate järjestuste ilmumise ja vanade kadumise faktide olulisust, tuleks rõhutada teiste mehhanismide olemasolu reaalset võimalust,
mängib otsustavat rolli eukarüootide evolutsioonis.
Üks evolutsiooni liikumapanevaid mehhanisme on liikuvad elemendid, mida leidub kõigis sellega seoses uuritud liikides.
Spetsifikatsiooniprotsessiga kaasnevad genoomimuutused võivad hõlmata ulatuslikke kariotüüpide ümberkorraldusi, lokaalseid kromosoomide ümberkorraldusi, geeniperekondade dubleerimist, üksikute geenide modifikatsioone,
millega kaasneb nende sünd või kadu, samuti erinevused geeniekspressioonis, mida reguleeritakse nii transkriptsiooni kui ka splaissimise või translatsiooni tasemel. Mobiilsed elemendid on kõigi nende protsessidega otseselt seotud.
Mõnel juhul kannavad ülekantavad elemendid ise järjestusi, mis kodeerivad ensüüme, mille olemasolu on vajalik DNA transpositsiooni või RNA retropositsiooni teostamiseks.
Sarnased järjestused esinevad retroviiruste genoomis, LTR-
elemendid ja transposoonid. Retrotransposoonide rühma kuulub ka kõige arvukam ülekantavate elementide klass Alu-repeats. Esimest korda Alu-
kordused ilmuvad primaatidel umbes 50-60 miljonit aastat tagasi väikesest RNA-d kodeerivast geenist. Edasise evolutsiooni käigus toimub selle perekonna lahknevus ja võimas võimendus. Primaatidelt inimesele üleminekuga kaasneb arvukuse plahvatuslik kasv
Alu-kordused, mille eksemplaride arv mõningatel hinnangutel ulatub
1,1 miljonit. Alu kordused hõivavad umbes 10% inimese genoomist, kuid nende jaotus on ebaühtlane, kuna need on rohkem seotud geenidega. Neid elemente esineb kodeerivates eksonites harva ja neid leidub sageli mRNA intronites ja mittekodeerivates piirkondades, et mõjutada nende molekulide stabiilsust ja/või translatsiooni efektiivsust. Alu järjestuste esinemisega geenide intronipiirkondades võib kaasneda muutus preRNA töötlemise olemuses, kuna need järjestused sisaldavad doonori ja aktseptori splaissimiskohtadega homoloogseid piirkondi. Alu-elementide sisestamine geeni reguleerivatesse piirkondadesse võib häirida transkriptsiooni, mille tulemuseks on
Näidis ülevenemaalisest bioloogia testimistööst
11. klass
Tööjuhised
Testtöö sisaldab 14 ülesannet. Bioloogia töö tegemiseks on ette nähtud 1 tund 30 minutit (90 minutit).
Ülesannete vastused on numbrite jada, arv, sõna (fraas) või lühike vaba vastus, mis salvestatakse selleks määratud töökohas. Kui kirjutate vale vastuse, kriipsutage see läbi ja kirjutage selle kõrvale uus.
Ülesannete täitmisel saate kasutada mustandit. Kavandid ei lähe töö hindamisel arvesse. Soovitame ülesandeid täita nende andmise järjekorras. Aja säästmiseks jätke ülesanne, mida te kohe täita ei saa, vahele ja liikuge järgmise juurde. Kui pärast kõigi tööde tegemist jääb aega üle, võite naasta tegemata jäänud ülesannete juurde.
Täidetud ülesannete eest saadud punktid summeeritakse.
Proovige täita võimalikult palju ülesandeid ja koguda kõige rohkem punkte.
Ülevenemaalise taatlustöö näidise selgitused
Näidistestitööga tutvumisel tuleb silmas pidada, et proovis sisalduvad ülesanded ei kajasta kõiki oskusi ja sisuküsimusi, mida ülevenemaalise testtöö raames testitakse. Täielik loetelu töös testitavatest sisuelementidest ja oskustest on toodud bioloogia VWP väljatöötamiseks vajalike lõpetajate koolitustaseme sisuelementide ja nõuete kodifitseerijas. Näidistestitöö eesmärk on anda aimu VPR-i ülesehitusest, ülesannete arvust ja vormist ning nende keerukusastmest.
1. Katses valgustas katse läbiviija osa tilgast, milles olid amööbid. Lühikese aja pärast hakkasid algloomad aktiivselt ühes suunas liikuma.
1.1. Millist organismide omadust katse illustreerib?
Selgitus: Eristatakse 7 elusorganismide omadust (just nendel alustel erinebki elusatest elututest): toitumine, hingamine, ärrituvus, liikuvus, eritumine, paljunemine, kasv. Amööbid tilga heledast osast liiguvad tumedasse, kuna nad reageerivad valgusele, see tähendab, et me valime omaduse - ärrituvus.
Vastus: ärrituvus.
1.2. Tooge näide selle nähtuse kohta taimedes.
Selgitus: siia võime kirjutada mis tahes näite taimede reaktsioonist (ärritatuse ilming).
Vastus: püüdmisaparaat sulgub lihasööjates taimedes VÕI päikese poole pöörduvad lehed või päevalill, mis liiguvad päeval päikesele järgi VÕI maastikumuutusest tingitud varre paindumine ( keskkond).
2. Paljud taimed, loomad, seened ja mikroorganismid elavad ja suhtlevad metsaservas. Mõelge rühmale, kuhu kuuluvad rästik, kotkas, meeskonnasiil, elujõuline sisalik, tavaline rohutirts. Täitke ülesanded.
2.1. Allkirjastage fotodel näidatud objektid ja joonis, mis kuuluvad ülaltoodud rühma.
1 - ellujäänud sisalik
2 - rästik
3 - siilimeeskond
4 - harilik rohutirts
5 - kotkas
2.2. Loetlege need organismid vastavalt nende positsioonile toiduahelas. Kirjutage igasse lahtrisse rühma ühe objekti number või nimi.
Toiduahel: siil - harilik rohutirts - elujõuline sisalik - rästik - kotkas.
Selgitus: alustame toiduahelat tootjaga (roheline taim - orgaaniliste ainete tootja) - meeskonna siil, seejärel 1. järku tarbija (tarbijad tarbivad orgaanilisi aineid ja neil on mitu tellimust) - tavaline rohutirts, a elussisalik (II järgu tarbija), rästik (III järgu tarbija), kotkas (IV järgu tarbija).
2.3. Kuidas mõjutab koondise siilide arvu vähendamine kotkaste arvu? Põhjenda vastust.
Vastus: meeskonna siilide arvu vähenemisega väheneb kõigi järgnevate komponentide ja lõpuks ka kotkaste arv, see tähendab, et kotkaste arv väheneb.
3. Vaatleme joonist, mis näitab süsinikuringe diagrammi looduses. Andke küsimärgiga märgitud aine nimetus.
Selgitus: süsinikdioksiid (CO2) on tähistatud küsimärgiga, kuna CO2 tekib orgaaniliste ainete põlemisel, hingamisel ja lagunemisel ning fotosünteesi käigus tekib (ja lahustub ka vees).
Vastus: süsihappegaas (CO2).
4. Peter segas 25 katseklaasis võrdses koguses ensüümi ja selle substraati. Torud jäeti samaks ajaks kl erinevad temperatuurid, mõõdeti reaktsioonikiirust. Peter koostas katse tulemuste põhjal graafiku (x-teljel on temperatuur (Celsiuse kraadides), y-teljel reaktsioonikiirus (arb. ühikutes).
Kirjeldage ensümaatilise reaktsiooni kiiruse sõltuvust temperatuurist.
Vastus: kui temperatuur tõuseb 30 ° C-ni, suureneb reaktsioonikiirus, seejärel hakkab see vähenema. Optimaalne temperatuur - 38C.
5. Määrake bioloogiliste süsteemide elementide alluvusjärjestus, alustades suurimast.
Puuduvad üksused:
1 inimene
2. Biitseps
3. Lihasrakk
4. Käsi
5. Aminohape
6. Valgu aktiin
Kirjutage üles vastav numbrijada.
Selgitus: korraldab elemendid alates kõrgeimast tasemest:
inimene – organism
käsi - orel
biitseps - kude
lihasrakk – rakuline
aktiini valk - molekulaarne (valgud koosnevad aminohapetest)
aminohape – molekulaarne
Vastus: 142365.
6. Valgud täidavad inim- ja loomaorganismis paljusid olulisi funktsioone: varustavad organismi ehitusmaterjal, on bioloogilised katalüsaatorid või regulaatorid, tagavad liikumise, osa transpordib hapnikku. Selleks, et kehal probleeme ei tekiks, vajab inimene 100-120 g valke päevas.
6.1. Arvutage tabelis olevate andmete abil valgu kogus, mille inimene sai õhtusöögi ajal, kui tema dieet sisaldas: 20 g leiba, 50 g hapukoort, 15 g juustu ja 75 g turska. Ümarda oma vastus lähima täisarvuni.
Selgitus: 100 g leiba sisaldab 7,8 g valku, siis 20 g leiba sisaldab 5 korda vähem valku - 1,56 g 100 g hapukoort sisaldab 3 g valku, siis 50 g on 2 korda vähem - 1,5 100 g juustu - 20 g valku, 15 g juustu - 3 g, 100 g turska - 17,4 g valku, 75 g turska - 13,05 g.
Kokku: 1,56 + 1,5 + 3 + 13,05 = 19,01 (mis on umbes 19).
Vastus: 19
VÕI
6.1.Inimene jõi tassi kanget kohvi, mis sisaldas 120 mg kofeiini, mis imendus täielikult ja jaotus ühtlaselt veres ja teistes kehavedelikes. Uuritaval inimesel võib kehavedelike mahuks lugeda 40 liitrit. Arvutage, kui kaua (tundides) pärast allaneelamist kofeiin sellele inimesele ei toimi, kui kofeiin lakkab toimimast kontsentratsioonis 2 mg / l ja selle kontsentratsioon väheneb 0,23 mg tunnis. Ümarda oma vastus kümnenditeni.
Selgitus: 120 mg kofeiini jaotati kogu inimkehas 40 liitrises mahus, see tähendab, et kontsentratsioon oli 3 mg / l. Kontsentratsioonil 2 mg / l lakkab kofeiin toimimast, see tähendab, et toimib ainult 1 mg / l. Tundide arvu väljaselgitamiseks jagame 1 mg / l 0,23 mg-ga (kontsentratsiooni vähenemine tunnis), saame 4,3 tundi.
Vastus: 4,3 tundi.
6.2. Nimetage üks seedesüsteemi näärmete toodetud ensüümidest:
Vastus: mao seinad toodavad pepsiini, mis lagundab happelises keskkonnas valgud dipeptiidideks. Lipaas lagundab lipiide (rasvu). Nukleaasid lagundavad nukleiinhappeid. Amülaas lagundab tärklist. Maltaas lagundab maltoosi glükoosiks. Laktax lagundab laktoosi glükoosiks ja galaktoosiks. Peate kirjutama ühe ensüümi.
7. Tehke kindlaks loetletud haiguste päritolu. Kirjutage iga loendis oleva haiguse numbrid tabeli vastavasse lahtrisse. Tabeli lahtrid võivad sisaldada mitut numbrit.
Inimeste haiguste loetelu:
1. Hemofiilia
2. Tuulerõuged
3. Skorbuut
4. Müokardiinfarkt
5. Koolera
Selgitus: CDF kohta vaadake jaotist Inimese haigused
8. Genealoogilist meetodit kasutatakse laialdaselt meditsiinigeneetikas. See põhineb isiku sugupuu koostamisel ja konkreetse tunnuse pärilikkuse uurimisel. Sellistes uuringutes kasutatakse teatud tähistusi. Uurige fragmenti ühe suguvõsa sugupuust, mille mõnel liikmel on kokkusulanud kõrvanibu.
Tehke pakutud skeemi abil kindlaks, kas see tunnus on domineeriv või retsessiivne ja kas see on seotud sugukromosoomidega.
Selgitus: tunnus on retsessiivne, kuna esimeses põlvkonnas ei ilmne see üldse ja teises põlvkonnas ilmneb see ainult 33% -l lastest. Tunnus ei ole sooga seotud, kuna see ilmneb nii poistel kui tüdrukutel.
Vastus: retsessiivne, mitte seksiga seotud.
9. Vladimir tahtis alati omada karmi juukseid nagu ta isa (domineeriv omadus (A)). Kuid ta juuksed olid pehmed, nagu emal. Määrake pereliikmete genotüübid juuste kvaliteedi põhjal. Kirjutage oma vastused tabelisse.
Selgitus: pehmed juuksed on retsessiivne tunnus (a), isa on selle tunnuse suhtes heterosügootne, kuna poeg on homosügootne retsessiivne (aa), nagu emagi. See on:
R: Aa x aa
G: Ah, ha
F1: Aa – 50% karedate juustega lastest
aa - 50% pehmete juustega lastest.
Vastus:
Ema | Isa | Poeg |
aa | Ah | aa |
10. Ekaterina otsustas doonoriks verd loovutada. Vere võtmisel selgus, et Ekaterina III rühm. Ekaterina teab, et tema emal on I veregrupp.
10.1. Mis tüüpi veri võib Katariina isal olla?
Selgitus: Tabeli andmete põhjal võib Katariina isal olla III või IV veregrupp.
Vastus: III või IV.
10.2. Tehke vereülekande reeglite alusel kindlaks, kas Ekaterina saab olla oma isa veredoonoriks.
Selgitus: I veregrupiga Jekaterina on universaalne doonor (eeldusel, et Rh-tegurid ühtivad), see tähendab, et isalt saab verd üle kanda.
Vastus: võib-olla.
11. Joonisel kujutatud organoidi ülesanne on orgaaniliste ainete oksüdeerimine ja energia salvestamine ATP süntees. Nendes protsessides mängib olulist rolli selle organoidi sisemembraan.
11.1. Mis on selle organelli nimi?
Vastus: Joonisel on kujutatud mitokondrit.
11.2. Selgitage, kuidas organoidi sisemembraani pakkimine on seotud selle funktsiooniga.
Vastus: sisemembraani voltide abil suurendab see organoidi sisepinda ja saab rohkem oksüdeerida orgaanilisi aineid, samuti ATP süntaasidel - ensümaatilistel kompleksidel, mis toodavad energiat, siis saab oksüdeerida rohkem orgaanilisi aineid. ATP (peamine energiamolekul).
12. mRNA fragmendil on järgmine järjestus:
UGTSGAAUGUUUGTSUG
Määrake selle DNA piirkonna järjestus, mis toimis selle RNA molekuli sünteesi mallina, ja valgujärjestus, mida see mRNA fragment kodeerib. Ülesande täitmisel kasuta komplementaarsuse reeglit ja geneetilise koodi tabelit.
Tabeli kasutamise reeglid
Kolmiku esimene nukleotiid on võetud vasakust vertikaalsest reast; teine - ülemisest horisontaalsest reast ja kolmas - paremalt vertikaalselt. Seal, kus kõigist kolmest nukleotiidist tulevad jooned ristuvad, asub soovitud aminohape.
Selgitus: jagame järjestuse kolmikuteks (igaüks kolm nukleotiidi): UGC GAA UGU UUG CUG. Kirjutame üles vastava nukleotiidjärjestuse DNA-s (pöördkomplementaarne nukleotiidjärjestus, arvestades, et A-T (RNA Y-s), G-C.
See tähendab, DNA ahel: ACG CTT ACA AAU GAU.
Leia RNA järjestusest vastav aminohappejärjestus. Esimene aminohape on cis, seejärel glu, cis, leu, lei.
Valk: cis-glu-cis-ley-ley.
12.3. Tomati genoomi dešifreerimisel selgus, et tümiini osakaal DNA molekuli fragmendis on 20%. Kasutades Chargaffi reeglit, mis kirjeldab DNA eri tüüpi lämmastikualuste kvantitatiivseid suhteid (G + T = A + C), arvutage tsütosiiniga nukleotiidide kogus (%) selles proovis.
Selgitus: kui tümiini kogus on 20%, siis on ka adeniini kogus 20% (kuna need on üksteist täiendavad). 60% jääb guaniini ja tsütosiini jaoks (100 - (20 + 20)), see tähendab kumbki 30%.
Vastus: 30% on tsütosiin.
13. Kaasaegset evolutsiooniteooriat saab kujutada järgmise diagrammina.
Vastus: ilmselt oli kaelkirjaku esivanematel erineva pikkusega kaelus, kuid kuna kaelkirjakud pidid jõudma kõrgelt kasvavate roheliste lehtedeni, jäid ellu vaid pika kaelaga kaelkirjakud, st kõige kohanenud (see omadus oli põlvest põlve külge, see tõi kaasa muutuse populatsiooni geneetilises koostises) . Nii jäid loodusliku valiku käigus ellu vaid pikima kaelaga isendid ning kaela pikkus järk-järgult suurenes.
14. Joonisel on kordaiit – 370-250 miljonit aastat tagasi elanud väljasurnud puitunud seemneseemnekeha.
Määrake geokronoloogilise tabeli fragmenti kasutades ajastu ja perioodid, mil see organism elas. Millised taimed olid nende võimalikud esivanemad?
Geoloogiline tabel
Selgitus: võimlemisseemned ilmusid tõenäoliselt paleosoikumi ajastul. perioodid: Perm, Karbon (võimalik, et Devon). Need tekkisid puulaadsetest sõnajalgadest (paleosoikumi ajastul õitsesid ürgsemad taimed, mesosoikumisajal levisid laialdaselt ja õitsesid seemneseemned).
Ajastu: paleosoikum
Perioodid: Perm, Karbon, Devon
Võimalikud esivanemad: puusõnajalad
2 018 Föderaalne hariduse ja teaduse järelevalveteenistus Venemaa Föderatsioon
DNA struktuuri avastamise 50. aastapäevaks
A.V. Zelenin
TAIME GENOOM
A. V. Zelenin
Zelenin Aleksander Vladimirovitš- d.b.n.,
molekulaarbioloogia instituudi labori juhataja. V.A. Engelhardt RAS.
Programmi "Inimese genoom" muljetavaldavad saavutused, aga ka nn ekstraväikeste (viirused), väikeste (bakterid, pärm) ja keskmise (ümaruss, Drosophila) genoomide dešifreerimisel tehtud töö õnnestumine võimaldas liikuda suurte ja eriti suurte taimede genoomide laiaulatuslikule uuringule. Kiireloomulist vajadust majanduslikult kõige olulisemate taimede genoomide üksikasjaliku uurimise järele rõhutati 1997. aastal USA-s toimunud taimegenoomikat käsitleval koosolekul [ , ]. Sellest ajast möödunud aastate jooksul on selles valdkonnas saavutatud kahtlemata edu. Aastal 2000 ilmus publikatsioon väikese sinepi - Arabidopsise - genoomi täieliku sekveneerimise (kogu tuuma DNA lineaarse nukleotiidjärjestuse määramise) kohta, 2001. aastal riisi genoomi esialgse (kavandi) sekveneerimise kohta. Korduvalt on kajastatud suurte ja ülisuurte taimede genoomide (mais, rukis, nisu) järjestamise töid, kuid need aruanded ei sisaldanud konkreetset teavet ja olid pigem tahteavalduste laadi.
Eeldatakse, et taimede genoomide dekodeerimine avab teadusele ja praktikale laialdased väljavaated. Esiteks tõstab uute geenide identifitseerimine ja nende geneetilise regulatsiooni ahel läbi biotehnoloogiliste lähenemiste kasutamise oluliselt taimede produktiivsust. Taimeorganismi selliste oluliste funktsioonide nagu paljunemine ja produktiivsus, varieeruvusprotsessid, resistentsus ebasoodsate keskkonnategurite suhtes, aga ka kromosoomide homoloogne paaritumine, avastamisel, eraldamisel, paljunemisel (kloonimisel) ja järjestamisel tekivad geenid. on seotud uued võimalused aretusprotsessi parandamiseks . Lõpuks saab eraldatud ja kloonitud geene kasutada põhimõtteliselt uute omadustega transgeensete taimede saamiseks ja geenide aktiivsuse reguleerimise mehhanismide analüüsimiseks.
Taimegenoomide uurimise olulisust rõhutab ka asjaolu, et seni on lokaliseeritud, kloonitud ja järjestatud taimegeenide arv väike ning varieerub erinevatel hinnangutel 800 ja 1200 vahel. Seda on 10-15 korda vähem kui taimede genoomide puhul. näiteks inimestel.
Taimegenoomide ulatusliku uurimise vaieldamatu liider on endiselt Ameerika Ühendriigid, kuigi Jaapanis tehakse riisi genoomi intensiivseid uuringuid. viimased aastad ja Hiinas. Arabidopsise genoomi dešifreerimisel võtsid lisaks USA laboritele aktiivselt kaasa Euroopa uurimisrühmad. Ameerika Ühendriikide näiline juhtimine tekitab Euroopa teadlastes tõsist muret, mida nad selgelt väljendasid 2000. aasta lõpus Prantsusmaal toimunud kohtumisel olulise pealkirja all "Genoomika väljavaated postgenoomilisel ajastul". Ameerika teaduse edusammud põllumajandustaimede genoomide uurimisel ja transgeensete taimevormide loomisel ähvardab Euroopa teadlaste sõnul, et mitte liiga kauges tulevikus (kaks kuni viis aastakümmet), mil rahvastiku kasv seab inimkonna silmitsi üldisega. toidukriis, Euroopa majandus ja teadus sõltuvad Ameerika tehnoloogiast. Sellega seoses teatati Prantsuse-Saksa teadusprogrammi loomisest taimede genoomide uurimiseks ("Plantgene") ja sellesse tehti olulisi investeeringuid.
Ilmselgelt peaksid taimede genoomika probleemid köitma Venemaa teadlaste ja teaduskorraldajate, aga ka valitsevate võimude suurt tähelepanu, kuna see ei puuduta ainult teaduslikku prestiiži, vaid ka riigi riiklikku julgeolekut. Ühe-kahe aastakümne pärast saab toidust kõige olulisem strateegiline ressurss.
RASKUSED TAIMEGENOOMIDE UURIMISEL
Taimegenoomide uurimine on palju keerulisem ülesanne kui inimeste ja teiste loomade genoomi uurimine. See on tingitud järgmistest asjaoludest:
tohutud genoomi suurused, ulatudes üksikute taimeliikide puhul kümnete ja isegi sadade miljardite aluspaarideni (bp): peamiste majanduslikult oluliste taimede (v.a riis, lina ja puuvill) genoomid on kas oma suuruselt lähedased inimese genoomile või ületa seda mitu korda (tabel);GENoomide kromosoomiuuringudKromosoomide arvu järsud kõikumised erinevates taimedes - mõnel liigil kahest kuni mitmesajani teistel ning genoomi suuruse ja kromosoomide arvu vahel ei ole võimalik tuvastada ranget korrelatsiooni;
Sarnaste, kuid mitte identsete genoomidega polüploidide (mis sisaldavad rohkem kui kahte genoomi raku kohta) rohkus (alpolüploidsus);
Taimegenoomide ekstreemne rikastamine (kuni 99%) "ebaolulise" (mittekodeeriva, st geene mittesisaldava) DNA-ga, mis raskendab oluliselt järjestatud fragmentide dokkimist (õiges järjekorras paigutamist) ühiseks suureks. suurusega DNA piirkond (kontig);
Kromosoomide mittetäielik (võrreldes Drosophila, inimese ja hiire genoomidega) morfoloogiline, geneetiline ja füüsiline kaardistamine;
Praktiline eristamise võimatus puhtal kujulüksikud kromosoomid, kasutades selleks inimeste ja loomade kromosoomide puhul tavaliselt kasutatavaid meetodeid (voo korras sorteerimine ja rakuhübriidide kasutamine);
Üksikute geenide kromosomaalse kaardistamise (kromosoomis asukoha määramise) raskused hübridisatsiooni abil kohapeal, mis on tingitud nii "ebaolulise" DNA suurest sisaldusest taimegenoomides kui ka taime kromosoomide struktuurse korralduse iseärasustest;
Taimede evolutsiooniline kaugus loomadest, mis raskendab tõsiselt inimeste ja teiste loomade genoomide järjestamisel saadud teabe kasutamist taimegenoomide uurimiseks;
Enamiku taimede pikk paljunemisprotsess, mis aeglustab oluliselt nende geneetilist analüüsi.
Üldiselt genoomide ja eriti taimede kromosomaalsed (tsütogeneetilised) uuringud on pika ajalooga. Mõiste "genoom" viitab haploidsele (ühele) kromosoomikomplektile koos neis sisalduvate geenidega 20. sajandi esimesel veerandil, st ammu enne DNA kui geneetilise kandja rolli väljakujunemist. teavet.
Uue, varem geneetiliselt uurimata paljurakulise organismi genoomi kirjeldamine algab tavaliselt selle kromosoomide tervikkomplekti (karüotüübi) uurimisest ja kirjeldamisest. See kehtib muidugi ka taimede kohta, millest tohutut hulka pole uurimagi hakatud.
Juba kromosoomiuuringute koidikul võrreldi sugulastaimede genoome liikidevaheliste hübriidide meiootilise konjugatsiooni (homoloogiliste kromosoomide assotsiatsiooni) analüüsi põhjal. Viimase 100 aasta jooksul on kromosoomianalüüsi võimalused järsult laienenud. Nüüd kasutatakse taimede genoomide iseloomustamiseks arenenumaid tehnoloogiaid: nn diferentsiaalvärvimise erinevaid variante, mis võimaldab morfoloogiliste tunnuste järgi tuvastada üksikuid kromosoome; hübridisatsioon kohapeal võimaldades lokaliseerida kromosoomides spetsiifilisi geene; raku valkude biokeemilised uuringud (elektroforees ja immunokeemia) ja lõpuks meetodite kogum, mis põhineb kromosomaalse DNA analüüsil kuni selle järjestamiseni.
Riis. üks. Teravilja karüotüübid a - rukis (14 kromosoomi), b - kõva nisu (28 kromosoomi), c - pehme nisu (42 kromosoomi), d - oder (14 kromosoomi)Aastaid on uuritud teravilja, eelkõige nisu ja rukki karüotüüpe. Huvitav on see, et nende taimede erinevatel liikidel on kromosoomide arv erinev, kuid alati seitsmekordne. Üksikuid teraviljatüüpe saab nende karüotüübi järgi usaldusväärselt ära tunda. Näiteks koosneb rukki genoom seitsmest suurtest kromosoomide paarist, mille otstes on intensiivselt värvitud heterokromaatilised plokid, mida sageli nimetatakse segmentideks või ribadeks (joonis 1a). Nisu genoomides on juba 14 ja 21 paari kromosoome (joon. 1, b, c) ning heterokromaatiliste plokkide jaotus neis ei ole sama, mis rukki kromosoomides. Samuti erinevad üksteisest üksikud nisu genoomid, tähis A, B ja D. Kromosoomide arvu suurenemine 14-lt 21-le toob kaasa järsu muutuse nisu omadustes, mis kajastub nende nimetustes: durum, või pasta, nisu ja pehme või leib, nisu . D-geen, mis sisaldab gluteenivalkude geene, mis annab tainale nn idanemise, vastutab pehme nisu kõrgete küpsetusomaduste omandamise eest. Just sellele genoomile pööratakse leivanisu valiku parandamisel erilist tähelepanu. Teist 14-kromosoomilist teravilja, otra (joonis 1, d), ei kasutata tavaliselt leiva valmistamiseks, kuid see on peamine tooraine selliste levinud toodete nagu õlu ja viski valmistamisel.
Intensiivselt uuritakse mõnede metsikute taimede kromosoome, mida kasutatakse kõige olulisemate põllumajandusliikide, näiteks nisu looduslike sugulaste – Aegilopsi – kvaliteedi parandamiseks. Uued taimevormid tekivad ristamise (joon. 2) ja selektsiooni teel. Viimastel aastatel on uurimismeetodite oluline paranemine võimaldanud alustada taimede genoomide uurimist, mille karüotüüpide iseärasused (peamiselt kromosoomide väiksus) muutsid need varem kromosoomianalüüsi jaoks kättesaamatuks. Niisiis tuvastati alles hiljuti esmakordselt kõik puuvilla, kummeli ja lina kromosoomid.
Riis. 2. Nisu karüotüübid ja nisu hübriid Aegilopsiga
a - heksaploidne pehme nisu ( Triticum astivum), mis koosneb A, B ja O genoomidest; b - tetraploidne nisu ( Triticum timopheevi), mis koosneb A- ja G-genoomidest. sisaldab enamiku nisuhaiguste suhtes resistentsuse geene; c - hübriidid Triticum astivum X Triticum timopheevi jahukaste- ja roostekindel, on osa kromosoomide asendamine selgelt nähtavDNA ESMANE STRUKTUUR
Molekulaargeneetika arenguga on genoomi mõiste laienenud. Nüüd tõlgendatakse seda terminit nii klassikalises kromosomaalses kui ka tänapäevases molekulaarses tähenduses: üksiku viiruse, raku ja organismi kogu geneetiline materjal. Loomulikult tekkis paljude mikroorganismide ja inimeste genoomide täieliku primaarstruktuuri (nagu sageli nimetatakse nukleiinhappe aluste täielikku lineaarset järjestust) uurimist taimede genoomi järjestamise küsimus.
Paljudest taimeorganismidest valiti uurimiseks kaks - kaheiduleheliste klassi esindav Arabidopsis (genoomi suurus 125 miljonit aluspaari) ja üheiduleheliste klassist riis (420-470 miljonit aluspaari). Need genoomid on teiste taimede genoomidega võrreldes väikesed ja sisaldavad suhteliselt vähe korduvaid DNA segmente. Sellised omadused andsid lootust, et valitud genoomid on kättesaadavad nende esmase struktuuri suhteliselt kiireks määramiseks.
Riis. 3. Arabidopsis - väike sinep - väike taim ristõieliste perekonnast ( Brassicaceae). Meie ajakirja ühe lehekülje pindalalt võrdsel pinnal võite kasvatada kuni tuhat Arabidopsise organismi.Arabidopsise valimise põhjuseks ei olnud mitte ainult tema genoomi väiksus, vaid ka organismi väiksus, mistõttu on teda lihtne laboris kasvatada (joonis 3). Võtsime arvesse selle lühikest sigimistsüklit, tänu millele on võimalik kiiresti läbi viia ristamise ja selektsiooni katseid, üksikasjalikult uuritud geneetikat, muutuvate kasvutingimustega manipuleerimise lihtsust (mulla soola koostise muutmine, erinevate toitainete lisamine jne. .) ning erinevate mutageensete tegurite ja patogeenide (viirused, bakterid, seened) mõju testimine taimedele. Arabidopsisel ei ole majanduslikku väärtust, seetõttu nimetati selle genoomi koos hiire genoomiga võrdluseks või, vähem täpselt, mudeliks.*
* Termini "mudelgenoom" ilmumine vene kirjanduses on ingliskeelse fraasi model genoom ebatäpse tõlke tulemus. Sõna "mudel" ei tähenda ainult omadussõna "mudel", vaid ka nimisõna "proov", "standard", "mudel". Õigem oleks rääkida proovigenoomist või võrdlusgenoomist.Intensiivset tööd Arabidopsise genoomi sekveneerimisega alustas 1996. aastal rahvusvaheline konsortsium, kuhu kuulusid teadusasutused ja uurimisrühmad USA-st, Jaapanist, Belgiast, Itaaliast, Suurbritanniast ja Saksamaalt. 2000. aasta detsembris sai kättesaadavaks ulatuslik teave Arabidopsise genoomi esmase struktuuri määramise kohta. Sekveneerimiseks kasutati klassikalist ehk hierarhilist tehnoloogiat: esmalt uuriti üksikuid väikseid genoomi lõike, millest koosnesid suuremad lõigud (kontiigid) ning viimases etapis üksikute kromosoomide ehitust. Arabidopsise genoomi tuuma DNA on jaotunud viie kromosoomi vahel. 1999. aastal avaldati kahe kromosoomi sekveneerimise tulemused ning ülejäänud kolme kromosoomi esmase struktuuri kohta teabe ilmumine ajakirjanduses viis lõpule kogu genoomi sekveneerimise.
125 miljonist aluspaarist on määratud 119 miljoni esmane struktuur, mis moodustab 92% kogu genoomist. Ainult 8% Arabidopsise genoomist, mis sisaldas suuri korduvaid DNA segmente, osutus uurimiseks kättesaamatuks. Eukarüootse genoomi järjestamise täielikkuse ja põhjalikkuse osas püsib Arabidopsis koos ainuraksete pärmorganismidega esikolmikus. Saccharomyces cerevisiae ja mitmerakuline organism Caenorhabditis elegants(vt tabelit).
Arabidopsise genoomist on leitud umbes 15 000 individuaalset valku kodeerivat geeni. Umbes 12 000 neist sisaldub kahe koopiana haploidse (ühe) genoomi kohta, nii et koguarv geenide arv on 27 tuhat.Geenide arv Arabidopsisel ei erine palju organismide, näiteks inimese ja hiire geenide arvust, kuid tema genoomi suurus on 25-30 korda väiksem. Seda asjaolu seostatakse oluliste tunnustega üksikute Arabidopsise geenide struktuuris ja selle genoomi üldises struktuuris.
Arabidopsise geenid on kompaktsed, sisaldades vaid üksikuid eksoneid (valku kodeerivaid piirkondi), mis on eraldatud lühikeste (umbes 250 aluspaari pikkuste) mittekodeerivate DNA segmentidega (intronitega). Üksikute geenide vahelised intervallid on keskmiselt 4600 aluspaari. Võrdluseks juhime tähelepanu sellele, et inimese geenid sisaldavad palju kümneid ja isegi sadu eksoneid ja introneid ning geenidevaheliste piirkondade suurus on 10 tuhat aluspaari või rohkem. Eeldatakse, et väikese kompaktse genoomi olemasolu aitas kaasa Arabidopsise evolutsioonilisele stabiilsusele, kuna selle DNA-st sai vähemal määral erinevate kahjustavate ainete sihtmärk, eriti viirusetaoliste korduvate DNA fragmentide (transposoonide) sissetoomisel. genoomi.
Arabidopsise genoomi muude molekulaarsete tunnuste hulgas tuleb märkida, et eksonid on loomade geenidega võrreldes rikastatud guaniini ja tsütosiiniga (44% eksonites ja 32% intronites), samuti kahekordselt korduvate (dubleeritud) geenide olemasolu. Eeldatakse, et selline kahekordistumine toimus nelja samaaegse sündmuse tulemusena, mis seisnesid osa Arabidopsise geenide kahekordistumises (kordumises) või seotud genoomide liitmises. Need 100-200 miljonit aastat tagasi aset leidnud sündmused on taimede genoomidele iseloomuliku polüploidiseerumise (genoomide arvu mitmekordne suurenemine organismis) ilminguks. Kuid mõned faktid näitavad, et Arabidopsises esinevad dubleeritud geenid ei ole identsed ja toimivad erinevalt, mis võib olla seotud mutatsioonidega nende reguleerivates piirkondades.
Riisist on saanud veel üks täieliku DNA sekveneerimise objekt. Selle taime genoom on samuti väike (12 kromosoomi, kokku 420-470 miljonit aluspaari), vaid 3,5 korda suurem kui Arabidopsisel. Erinevalt Arabidopsisest on riisil aga suur majanduslik tähtsus, kuna see on enam kui poole inimkonna toitumise aluseks, seetõttu ei osale mitte ainult miljardid tarbijad, vaid ka mitme miljoni suurune inimeste armee, kes osalevad aktiivselt selle väga töömahukas protsessis. on eluliselt huvitatud selle omaduste parandamisest.
Mõned teadlased hakkasid riisi genoomi uurima juba 1980. aastatel, kuid tõsise mastaabini jõudsid need uuringud alles 1990. aastatel. 1991. aastal loodi Jaapanis riisi genoomi struktuuri dešifreerimiseks programm, mis koondas paljude uurimisrühmade jõupingutused. 1997. aastal korraldati selle programmi alusel Rahvusvaheline riisigenoomi projekt. Selle osalejad otsustasid koondada oma jõupingutused ühe riisi alamliigi järjestamisele ( Oriza sativajaponica), mille uurimisel oli selleks ajaks juba saavutatud olulisi edusamme. Tõsiseks tõukejõuks ja piltlikult öeldes juhttäheks sellisele tööle oli programm "Inimese genoom".
Selle programmi raames testiti genoomi "kromosomaalse" hierarhilise jaotuse strateegiat, mida rahvusvahelises konsortsiumis osalejad riisi genoomi dešifreerimiseks kasutasid. Kui aga inimese genoomi uurimisel eraldati erinevate meetoditega üksikute kromosoomide fraktsioonid, siis üksikutele riisikromosoomidele ja nende üksikutele piirkondadele spetsiifiline materjal saadi lasermikrodissektsiooniga (mikroskoopiliste objektide väljalõikamisega). Mikroskoobi slaidil, kus asuvad riisi kromosoomid, põleb laserkiire mõjul kõik läbi, välja arvatud analüüsiks planeeritud kromosoom või selle lõigud. Ülejäänud materjali kasutatakse kloonimiseks ja sekveneerimiseks.
Riisi genoomi üksikute fragmentide järjestamise tulemuste kohta, mis on läbi viidud hierarhilisele tehnoloogiale iseloomulikult suure täpsuse ja üksikasjalikkusega, on avaldatud arvukalt aruandeid. Arvati, et riisi genoomi täieliku primaarstruktuuri määramine viiakse lõpule 2003. aasta lõpuks – 2004. aasta keskpaigaks ning tulemusi koos andmetega Arabidopsise genoomi primaarstruktuuri kohta kasutatakse laialdaselt võrdluses. teiste taimede genoomika.
Kuid 2002. aasta alguses avaldasid kaks uurimisrühma – üks Hiinast, teine Šveitsist ja Ameerika Ühendriikidest – riisi genoomi täieliku (ligikaudse) järjestuse kavandi tulemused, mis viidi läbi täieliku kloonimise tehnoloogia abil. Erinevalt etapiviisilisest (hierarhilisest) uuringust põhineb terviklik lähenemisviis kogu genoomse DNA samaaegsel kloonimisel ühte viirus- või bakterivektorisse ja märkimisväärse (keskmise ja suure genoomide puhul tohutu) arvu individuaalsete kloonide saamisel, mis sisaldavad erinevaid DNA segmendid. Nende järjestatud lõikude analüüsi ja DNA identsete terminaalsete lõikude kattumise põhjal moodustub kontig – omavahel ühendatud DNA järjestuste ahel. Üldine (kogu) kontig on kogu genoomi või vähemalt üksiku kromosoomi esmane struktuur.
Sellise skemaatilise esituse puhul tundub täieliku kloonimise strateegia lihtne. Tegelikult on sellel tõsised raskused, mis on seotud vajadusega hankida tohutult palju kloone (üldtunnustatud on, et uuritav genoom või selle piirkond peavad kloonidega kattuma vähemalt 10 korda), sekveneerimise tohutu hulga ja äärmiselt keeruline kloonide dokkimistöö, mis nõuab bioinformaatika spetsialistide osalemist. Täieliku kloonimise tõsiseks takistuseks on mitmesugused korduvad DNA segmendid, mille arv, nagu juba mainitud, suureneb järsult genoomi suuruse kasvades. Seetõttu kasutatakse täieliku sekveneerimise strateegiat peamiselt viiruste ja mikroorganismide genoomide uurimisel, kuigi seda on edukalt kasutatud ka mitmerakulise organismi Drosophila genoomi uurimisel.
Selle genoomi täieliku sekveneerimise tulemused "pealestati" tohutule hulgale teabele selle kromosoomi-, geeni- ja molekulaarstruktuuri kohta, mis saadi peaaegu 100-aastase Drosophila uurimisperioodi jooksul. Ja veel, sekveneerimise astme poolest on Drosophila genoom (66% kogu genoomi suurusest) märkimisväärselt madalam kui Arabidopsise genoom (92%), hoolimata nende üsna lähedasest suurusest - vastavalt 180 miljonit ja 125 miljonit aluspaari . Seetõttu on hiljuti tehtud ettepanek nimetada segatehnoloogia, mida kasutati Drosophila genoomi sekveneerimiseks.
Riisi genoomi järjestamiseks võtsid ülalmainitud uurimisrühmad selle kaks alamliiki, mis on Aasia riikides enim kasvatatud. Oriza saliva L. ssp indicaj ja Oriza saliva L. sspjaponica. Nende uuringute tulemused langevad paljudes aspektides kokku, kuid erinevad paljuski. Seega väitsid mõlema rühma esindajad, et nad on jõudnud ligikaudu 92-93% genoomi kattuvuseni kontiigidega. On näidatud, et umbes 42% riisi genoomist on esindatud lühikeste DNA kordustega, mis koosnevad 20 aluspaarist, ja suurem osa mobiilsetest DNA elementidest (transposoonidest) paikneb geenidevahelistes piirkondades. Andmed riisi genoomi suuruse kohta erinevad aga oluliselt.
Jaapani alamliigi genoomi suuruseks määratakse 466 miljonit aluspaari ja India alamliigi puhul 420 miljonit. Selle lahknevuse põhjus pole selge. See võib olla erinevate metodoloogiliste lähenemisviiside tagajärg genoomide mittekodeeriva osa suuruse määramisel, see tähendab, et see ei peegelda asjade tegelikku seisu. Kuid on võimalik, et uuritud genoomide suuruses on 15% erinevus.
Teine suurem lahknevus ilmnes leitud geenide arvus: Jaapani alamliigi puhul 46 022 kuni 55 615 geeni genoomi kohta ja India alamliigi puhul 32 000 kuni 50 000. Selle lahknevuse põhjus pole selge.
Saadud teabe ebatäielikkus ja ebaühtlus on märgitud avaldatud artiklite kommentaarides. Siin avaldatakse ka lootust, et lüngad riisi genoomi teadmistes kõrvaldatakse, kui võrrelda "töötlemata järjestuse" andmeid üksikasjaliku hierarhilise sekveneerimise tulemustega, mille viisid läbi rahvusvahelises riisigenoomi projektis osalejad.
VÕRDLEV JA FUNKTSIONAALNE TAIMEGENOOMIKA
Saadud ulatuslikud andmed, millest pooled (Hiina grupi tulemused) on avalikult kättesaadavad, avavad kahtlemata laialdasi väljavaateid nii riisi genoomi kui ka taimede genoomika uurimisel üldiselt. Arabidopsise ja riisi genoomide omaduste võrdlus näitas seda enamik Arabidopsise genoomis tuvastatud geenidest (kuni 80%) leiti ka riisi genoomis, kuid ligikaudu poolte riisis leiduvate geenide jaoks ei ole Arabidopsise genoomis analooge (ortolooge) veel leitud. Samal ajal leiti riisi genoomist 98% geenidest, mille esmane struktuur on muude teraviljade jaoks välja kujunenud.
Märkimisväärne (peaaegu kahekordne) lahknevus riisi ja Arabidopsise geenide arvu vahel on mõistatuslik. Samal ajal ei võrrelda riisi genoomi dekodeerimise kavandi andmeid, mis on saadud täieliku sekveneerimise abil, praktiliselt ei võrrelda hierarhilise kloonimise ja sekveneerimise meetodil tehtud riisi genoomi uurimise ulatuslike tulemustega, st sellega, mis on Drosophila genoomi suhtes ei ole tehtud. Seetõttu jääb ebaselgeks, kas Arabidopsise ja riisi geenide arvu erinevus peegeldab asjade tegelikku seisu või on see seletatav metoodiliste lähenemisviiside erinevusega.
Erinevalt Arabidopsise genoomist ei esitata andmeid riisi genoomi kaksikgeenide kohta. Võimalik, et nende suhteline kogus võib riisis olla suurem kui Arabidopsises. Seda võimalust toetavad kaudselt andmed riisi polüploidsete vormide olemasolu kohta. Suuremat selgust selles küsimuses võib oodata pärast seda, kui rahvusvaheline riisigenoomi projekt on lõpule viidud ja selle genoomi esmasest DNA struktuurist saadakse üksikasjalik pilt. Selliseks lootuseks annab tõsise aluse asjaolu, et pärast riisi genoomi jämedat järjestamist käsitlevate tööde avaldamist on selle genoomi struktuuri käsitlevate publikatsioonide arv järsult suurenenud, eriti on ilmunud teave üksikasjaliku järjestuse kohta. selle 1 ja 4 kromosoomist.
Taimede geenide arvu vähemalt ligikaudne teadmine on võrdleva taimegenoomika jaoks ülioluline. Alguses arvati, et kuna vastavalt nende fenotüübilistele omadustele on kõik õistaimed on üksteisele väga lähedal ja nende genoomid peaksid olema sama lähedased. Ja kui uurida Arabidopsise genoomi, saame teavet enamiku teiste taimede genoomide kohta. Selle oletuse kaudseks kinnituseks on hiire genoomi sekveneerimise tulemused, mis on üllatavalt lähedal inimese genoomile (umbes 30 tuhat geeni, millest vaid 1 tuhat osutus erinevaks).
Võib oletada, et Arabidopsise ja riisi genoomide erinevuste põhjus peitub nende kuulumises erinevatesse taimeklassidesse – kaheidu- ja üheidulehelistesse. Selle probleemi selgitamiseks on väga soovitav teada mõne teise üheidulehelise taime vähemalt umbkaudset algstruktuuri. Kõige realistlikum kandidaat võiks olla mais, mille genoom on ligikaudu võrdne inimese genoomiga, kuid siiski palju väiksem kui teiste teraviljade genoom. Maisi toiteväärtus on hästi teada.
Arabidopsise ja riisi genoomide järjestamise tulemusena saadud tohutu materjal on järk-järgult saamas aluseks taimede genoomide ulatuslikule uurimisele, kasutades võrdlevat genoomikat. Sellised uuringud on üldbioloogilise tähtsusega, kuna võimaldavad paika panna taimegenoomi kui terviku ja nende üksikute kromosoomide korralduse põhiprintsiibid, tuvastada geenide ja nende reguleerivate piirkondade struktuuri ühiseid jooni ning kaaluda kromosoomi funktsionaalselt aktiivse (geeni)osa ja erinevate geenidevaheliste DNA piirkondade suhe, mis valke ei kodeeri. Arengu seisukohalt muutub järjest olulisemaks ka võrdlev geneetika funktsionaalne genoomika isik. Võrdlevate uuringute jaoks viidi läbi paiskala ja hiire genoomide järjestamine.
Sama oluline on üksikute geenide uurimine, mis vastutavad üksikute valkude sünteesi eest, mis määravad keha spetsiifilised funktsioonid. Inimgenoomi programmi praktiline, eelkõige meditsiiniline tähtsus seisneb üksikute geenide avastamises, eraldamises, järjestamises ja funktsioonide määramises. Seda asjaolu märkis mitu aastat tagasi J. Watson, kes rõhutas, et programm "Inimese genoom" saab lõpule alles siis, kui kõigi inimgeenide funktsioonid on kindlaks määratud.
Riis. neli. Klassifikatsioon Arabidopsise geenide funktsiooni järgi
1 - kasvu, jagunemise ja DNA sünteesi geenid; 2 - RNA sünteesi geenid (transkriptsioon); 3 - geenid valkude sünteesiks ja modifitseerimiseks; 4 - arengu, vananemise ja rakusurma geenid; 5 - raku ainevahetuse ja energiavahetuse geenid; 6 - rakkudevahelise interaktsiooni ja signaaliülekande geenid; 7 - geenid muude rakuliste protsesside tagamiseks; 8 - tundmatu funktsiooniga geenidMis puutub taimegeenide funktsiooni, siis me teame vähem kui kümnendiku sellest, mida teame inimese geenide kohta. Isegi Arabidopsisel, mille genoomi on palju rohkem uuritud kui inimese genoomi, jääb peaaegu poolte geenide funktsioon teadmata (joonis 4). Samal ajal on taimedel lisaks loomadega levinud geenidele märkimisväärne hulk geene, mis on spetsiifilised ainult (või vähemalt valdavalt) neile. Jutt on geenidest, mis osalevad vee transportimisel ja rakuseina sünteesil, mis loomadel puudub, geenidest, mis tagavad kloroplastide teket ja funktsioneerimist, fotosünteesist, lämmastiku sidumisest ning arvukate aromaatsete saaduste sünteesist. Seda loetelu võib jätkata, kuid juba praegu on selge, millise raske ülesandega seisab taimede funktsionaalne genoomika ees.
Täielik genoomide järjestamine annab tõele lähedast teavet antud organismi geenide koguarvu kohta, võimaldab paigutada andmepankadesse enam-vähem üksikasjalikku ja usaldusväärset teavet nende struktuuri kohta ning hõlbustab üksikute geenide eraldamise ja uurimise tööd. Genoomi sekveneerimine ei tähenda aga sugugi kõigi geenide funktsiooni kindlaksmääramist.
Funktsionaalse genoomika üks paljutõotavamaid lähenemisviise põhineb töötavate geenide tuvastamisel, mida kasutatakse mRNA transkriptsiooniks (lugemiseks). See lähenemine, sealhulgas moodne tehnoloogia mikrokiibid, võimaldab üheaegselt tuvastada kuni kümneid tuhandeid toimivaid geene. Hiljuti on seda lähenemisviisi kasutades alustatud taimede genoomide uurimist. Arabidopsise jaoks oli võimalik saada umbes 26 tuhat individuaalset ärakirja, mis hõlbustab oluliselt peaaegu kõigi selle geenide funktsiooni määramise võimalust. Kartulis õnnestus tuvastada umbes 20 000 töötavat geeni, mis on olulised nii kasvu- ja mugulate kui ka kartulihaiguse protsesside mõistmiseks. Eeldatakse, et need teadmised tõstavad ühe olulisema toiduaine resistentsust patogeenide suhtes.
Funktsionaalse genoomika loogiline areng oli proteoomika. See uus teadusvaldkond uurib proteoomi, mida tavaliselt mõistetakse kui täielikku valkude komplekti rakus konkreetsel hetkel. Selline valkude komplekt, mis peegeldab genoomi funktsionaalset seisundit, muutub kogu aeg, samas kui genoom jääb muutumatuks.
Valkude uurimist on pikka aega kasutatud taimede genoomide aktiivsuse hindamiseks. Teatavasti erinevad kõikides taimedes esinevad ensüümid üksikute liikide ja sortide kaupa aminohapete järjestuses. Selliseid ensüüme, millel on sama funktsioon, kuid erinev üksikute aminohapete järjestus, nimetatakse isoensüümideks. Neil on erinevad füüsikalis-keemilised ja immunoloogilised omadused (molekulmass, laeng), mida saab tuvastada kromatograafia või elektroforeesi abil. Neid meetodeid on aastaid edukalt kasutatud nn geneetilise polümorfismi ehk organismide, sortide, populatsioonide, liikide, eelkõige nisu ja sellega seotud teraviljavormide vaheliste erinevuste uurimiseks. Siiski sisse viimastel aegadel Seoses DNA analüüsimeetodite, sh sekveneerimise kiire arenguga, on valgu polümorfismi uurimine asendunud DNA polümorfismi uurimisega. Teraviljade peamised toiteomadused määravate säilitusvalkude (proamiinid, gliadiinid jt) spektrite otsene uurimine jääb aga oluliseks ja usaldusväärseks meetodiks põllumajandustaimede geneetilisel analüüsil, selektsioonil ja seemnekasvatusel.
Teadmised geenidest, nende avaldumise ja regulatsiooni mehhanismidest on ülimalt olulised biotehnoloogia arendamiseks ja transgeensete taimede tootmiseks. On teada, et muljetavaldavad edusammud selles valdkonnas põhjustavad keskkonna- ja meditsiiniringkondades kahemõttelise reaktsiooni. Siiski on taimede biotehnoloogia valdkond, kus need hirmud, kui mitte täiesti põhjendamatud, siis igal juhul näivad olevat vähetähtsad. Me räägime transgeensete tööstuslike taimede loomisest, mida ei kasutata toiduainetena. India koristas hiljuti esimese transgeense puuvilla saagi, mis on resistentne mitmete haiguste suhtes. Teavet on pigmentvalke kodeerivate spetsiaalsete geenide viimisest puuvilla genoomi ja puuvillakiudude tootmisest, mis ei vaja kunstlikku värvimist. Teine tööstuslik kultuur, mis võib olla tõhusa geenitehnoloogia objektiks, on lina. Hiljuti on arutatud selle kasutamist puuvillale alternatiivina tekstiili toorainena. See probleem on äärmiselt oluline meie riigi jaoks, mis on kaotanud oma toorpuuvillaallikad.
TAIMEGENOOMIDE UURIMISE VÄLJAVAATED
Ilmselt põhinevad taimede genoomide struktuuriuuringud võrdleva genoomika lähenemisviisidel ja meetoditel, kasutades põhimaterjalina Arabidopsise ja riisi genoomide dešifreerimise tulemusi. Võrdleva taimegenoomika väljatöötamisel mängib olulist rolli kahtlemata informatsioon, mida varem või hiljem annab teiste taimede genoomide totaalne (umbkaudne) järjestamine. Sel juhul põhineb taimede võrdlev genoomika geneetiliste suhete loomisel üksikute lookuste ja erinevatesse genoomidesse kuuluvate kromosoomide vahel. Me ei keskendu mitte niivõrd taimede üldisele genoomikale, kuivõrd üksikute kromosoomi lookuste selektiivsele genoomikale. Näiteks on hiljuti näidatud, et vernalisatsiooni eest vastutav geen asub heksaploidse nisu kromosoomi 5A VRn-AI lookuses ja riisi kromosoomi 3 Hd-6 lookuses.
Nende uuringute väljatöötamine on võimas tõuge paljude funktsionaalselt oluliste taimegeenide tuvastamiseks, eraldamiseks ja järjestamiseks, eriti geenide jaoks, mis vastutavad haiguskindluse, põuakindluse ja erinevate kasvutingimustega kohanemisvõime eest. Üha enam hakatakse kasutama funktsionaalset genoomikat, mis põhineb taimedes toimivate geenide massilisel tuvastamisel (sõeluuringul).
Võime ette näha kromosomaalsete tehnoloogiate, eelkõige mikrodissekteerimismeetodi edasist täiustamist. Selle kasutamine avardab dramaatiliselt genoomiuuringute võimalusi, ilma et see nõuaks suuri kulutusi, nagu näiteks kogu genoomi järjestamine. Edasi levitatakse üksikute geenide taimede kromosoomidel lokaliseerimise meetodit hübridisatsiooni abil. kohapeal. Praegu piirab selle kasutamist taimegenoomi korduvate järjestuste tohutu hulk ja võib-olla ka taime kromosoomide struktuurse korralduse iseärasused.
Kromosomaalsed tehnoloogiad muutuvad lähitulevikus taimede evolutsioonilise genoomika jaoks väga oluliseks. Need suhteliselt odavad tehnoloogiad võimaldavad kiiresti hinnata liigisisest ja liikidevahelist varieeruvust, uurida tetraploidse ja heksaploidse nisu, tritikale kompleksseid allopolüploidseid genoome; analüüsida evolutsiooniprotsesse kromosoomi tasandil; uurida sünteetiliste genoomide teket ja võõra geneetilise materjali sissetoomist (introgressiooni); tuvastada erinevate liikide üksikute kromosoomide vahelisi geneetilisi seoseid.
Genoomi iseloomustamiseks kasutatakse taimede karüotüübi uurimist klassikaliste tsütogeneetiliste meetoditega, mida rikastatakse molekulaarbioloogilise analüüsi ja arvutitehnoloogiaga. See on eriti oluline kariotüübi stabiilsuse ja varieeruvuse uurimiseks mitte ainult üksikute organismide, vaid ka populatsioonide, sortide ja liikide tasandil. Lõpuks on raske ette kujutada, kuidas saab hinnata kromosoomide ümberkorralduste (aberratsioonide, sildade) arvu ja spektreid ilma diferentsiaalvärvimismeetodeid kasutamata. Sellised uuringud on äärmiselt paljutõotavad keskkonna jälgimiseks taimegenoomi seisundi järgi.
Kaasaegses Venemaal taimede genoomide otsest järjestamist tõenäoliselt ei tehta. Selline suuri investeeringuid nõudev töö käib meie praegusele majandusele üle jõu. Samal ajal on kodumaise taimegenoomika arendamiseks piisavad maailma teaduse poolt hangitud ja rahvusvahelistes andmepankades kättesaadavad andmed Arabidopsise ja riisi genoomide struktuuri kohta. Võrdleval genoomikal põhinevate taimede genoomide uuringute laienemist võib ette näha aretuse ja taimekasvatuse spetsiifiliste probleemide lahendamiseks, samuti erinevate suure majandusliku tähtsusega taimeliikide päritolu uurimiseks.
Arvata võib, et meie eelarvele üsna jõukohased genoomilised lähenemised nagu geneetiline tüpiseerimine (RELF, RAPD, AFLP analüüsid jne) leiavad laialdast kasutamist kodumaises aretuspraktikas ja taimekasvatuses. Paralleelselt otseste DNA polümorfismi määramise meetoditega hakatakse geneetika ja sordiaretuse probleemide lahendamisel kasutama valgu polümorfismi, eelkõige teravilja säilitusvalkude uurimisel põhinevaid lähenemisviise. Laialdaselt kasutatakse kromosoomitehnoloogiaid. Need on suhteliselt odavad, nende arendamine nõuab üsna mõõdukaid investeeringuid. Kromosoomiuuringute vallas ei jää kodumaine teadus maailmale alla.
Tuleb rõhutada, et meie teadus on andnud olulise panuse taimegenoomika kujunemisse ja arengusse [ , ].
Põhirolli mängis N.I. Vavilov (1887-1943).
Molekulaarbioloogias ja taimegenoomikas on teedrajav panus A.N. Belozersky (1905-1972).
Kromosoomiuuringute valdkonnas on vaja märkida silmapaistva geneetiku S.G. Navashin (1857-1930), kes avastas esmakordselt taimedes satelliitkromosoomid ja tõestas, et üksikuid kromosoome on võimalik eristada nende morfoloogia tunnuste järgi.
Veel üks vene teaduse klassik G.A. Levitsky (1878-1942) kirjeldas üksikasjalikult rukki, nisu, odra, herneste ja suhkrupeedi kromosoome, tõi teadusesse termini "karüotüüp" ja arendas selle doktriini.
Kaasaegsed spetsialistid, kes tuginevad maailma teaduse saavutustele, võivad anda olulise panuse taimegeneetika ja genoomika edasiarendamisse.
Autor avaldab südamlikku tänu akadeemik Yu.P. Altukhovile artikli kriitilise arutelu ja väärtuslike nõuannete eest.Artikli autori juhitud töörühma tööd toetas Venemaa Alusuuringute Fond (toetused nr 99-04-48832; 00-04-49036; 00-04-81086), presidendi programm. Venemaa Föderatsioon teaduskoolide toetamiseks (toetused nr 00-115 -97833 ja NSh-1794.2003.4) ja programmid Vene akadeemia Teadused "Molekulaargeneetilised ja kromosomaalsed markerid kaasaegsete aretus- ja seemnekasvatusmeetodite väljatöötamisel".
KIRJANDUS
1. Zelenin A.V., Badaeva E.D., Muravenko O.V. Sissejuhatus taimegenoomikasse // Molekulaarbioloogia. 2001. V. 35. S. 339-348. 2. Pen E. Bonanza taimegenoomikale // Teadus. 1998. V. 282. Lk 652-654. 3. Plant genomics, Proc. Natl. Acad. sci. USA. 1998. V. 95. Lk 1962-2032. 4. Kartell N.A. ja jne. Geneetika. Entsüklopeediline sõnaraamat. Minsk: Technologia, 1999. 5. Badaeva E.D., Friebe B., Gill B.S. 1996. Genoomi diferentseerimine Aegilopsil. 1. Väga korduvate DNA järjestuste jaotus diploidsete liikide kromosoomidel // Genoom. 1996. V. 39. Lk 293-306. Kromosoomianalüüsi ajalugu // Biol. membraanid. 2001. T. 18. S. 164-172.
Hüppavad geenid
Möödunud sajandi keskel avastas Ameerika teadlane Barbara McClintock maisist hämmastavad geenid, mis võivad iseseisvalt muuta oma asukohta kromosoomides. Nüüd nimetatakse neid "hüppavateks geenideks" või ülekantavateks (mobiilseteks) elementideks. Avastust ei tunnustatud pikka aega, pidades mobiilseid elemente ainulaadseks, ainult maisile iseloomulikuks nähtuseks. Kuid just selle avastuse eest pälvis McClintock 1983. aastal Nobeli preemia – praeguseks on hüppegeene leitud peaaegu kõigilt uuritud looma- ja taimeliikidelt.
Kust hüppavad geenid tulid, mida nad rakus teevad, kas neist on kasu? Miks võib Drosophila äädikakärbse perekond geneetiliselt tervete vanematega hüppegeenide tõttu saada suure sagedusega mutantseid järglasi või olla isegi täiesti lastetu? Milline on hüppavate geenide roll evolutsioonis?
Peab ütlema, et rakkude toimimist tagavad geenid paiknevad kromosoomidel kindlas järjekorras. Tänu sellele õnnestus paljude ühe- ja mitmerakuliste organismide liikide jaoks koostada nn geenikaarte. Geenide vahel on aga suurusjärgu võrra rohkem geneetilist materjali kui iseeneses! Millist rolli mängib see DNA "ballast" osa, pole lõpuni välja selgitatud, kuid just siit leitakse kõige sagedamini liikuvaid elemente, mis mitte ainult ei liigu ise, vaid võivad kaasa võtta ka naabruses olevaid DNA fragmente.
Kust tulevad hüppaja geenid? Arvatakse, et vähemalt osa neist on pärit viirustest, kuna mõned liikuvad elemendid on võimelised moodustama viirusosakesi (näiteks mustlase liikuv element äädikakärbses Drosophila melanogaster). Mõned ülekantavad elemendid ilmuvad genoomis nn horisontaalne ülekanne teistest liikidest. Näiteks leitakse, et mobiilne hulkur-element (tõlgitud vene keelde, seda nimetatakse trampiks) Drosophila melanogaster korduvalt selle liigi genoomi sisse viidud. On olemas versioon, et mõnedel DNA reguleerivatel piirkondadel võib olla ka autonoomia ja kalduvus "haigruda".
kasulik ballast
Seevastu enamik hüppavaid geene, vaatamata nimele, käitub vaikselt, kuigi moodustavad viiendiku kogu geneetilisest materjalist. Drosophila melanogaster ehk peaaegu pool inimese genoomist.
Eespool mainitud DNA liiasusel on oma pluss: ballast-DNA (sealhulgas passiivsed mobiilsed elemendid) saab löögi, kui genoomi sisestatakse võõras DNA. Tõenäosus, et kasulikku geeni sisestatakse uus element ja seeläbi häiritakse selle toimimist, väheneb, kui DNA-d on palju rohkem kui märkimisväärset.
DNA mõningane liiasus on kasulik samamoodi nagu tähtede "liignemine" sõnades: kirjutame "Maria Ivanovna" ja ütleme "Marivana". Osa tähti läheb paratamatult kaotsi, aga tähendus jääb alles. Sama põhimõte toimib ka üksikute aminohapete olulisuse tasemel valgu-ensüümi molekulis: rangelt konservatiivne on ainult aktiivse tsentri moodustav aminohapete järjestus. Seega eri tasanditel osutub koondamine omamoodi puhvriks, mis annab süsteemile turvavaru. Nii pole liikuvuse kaotanud mobiilsed elemendid genoomi jaoks kasutud. Nagu öeldakse, "õhukesest lambast isegi villatupp", kuigi võib-olla sobiks siia paremini mõni muu vanasõna - "iga pesa reas".
Mobiilsed elemendid, millel on säilinud hüppevõime, liiguvad mööda Drosophila kromosoome sagedusega 10–2–10–5 geeni kohta põlvkonna kohta, olenevalt elemendi tüübist, geneetilisest taustast ja välistingimustest. See tähendab, et üks sajast hüppavast geenist rakus võib pärast järgmist rakujagunemist oma asukohta muuta. Selle tulemusena võib mitme põlvkonna järel transponeeritavate elementide jaotus mööda kromosoomi väga oluliselt muutuda.
Sellist jaotust on mugav uurida Drosophila vastsete süljenäärmete polüteen- (mitmekiulistel) kromosoomidel. Need kromosoomid on kordades paksemad kui tavalised, mistõttu on neid mikroskoobi all palju lihtsam uurida. Kuidas need kromosoomid tekivad? Süljenäärmete rakkudes korrutatakse iga kromosoomi DNA nagu normaalse rakujagunemise korral, kuid rakk ise ei jagune. Selle tulemusena rakkude arv näärmes ei muutu, kuid 10-11 tsükli jooksul koguneb igasse kromosoomi mitu tuhat identset DNA ahelat.
Osaliselt polüteenkromosoomide tõttu on Drosophila hüppegeenid paremini mõistetavad kui teistes metazoaanides. Nende uuringute tulemusena selgus, et isegi samas Drosophila populatsioonis on raske leida kahte isendit, kellel on kromosoomid sama mobiilsete elementide jaotusega. Pole juhus, et arvatakse, et enamik Drosophila spontaansetest mutatsioonidest on põhjustatud nende "punkrite" liikumisest.
Tagajärjed võivad olla erinevad...
Aktiivsed ülekantavad elemendid võib genoomile avalduva mõju põhjal jagada mitmeks rühmaks. Mõned neist täidavad genoomi jaoks äärmiselt olulisi ja kasulikke funktsioone. Näiteks, telomeerne DNA, mis asub kromosoomide otstes, koosneb Drosophilas lihtsalt spetsiaalsetest liikuvatest elementidest. See DNA on äärmiselt oluline – selle kadumine toob kaasa kogu kromosoomi kadumise rakkude jagunemise protsessis, mis viib rakusurma.
Teised mobiilsed elemendid on otse "kahjurid". Vähemalt nii nad end praegu arvavad. Näiteks saab R2 klassi ülekantavaid elemente spetsiifiliselt sisestada lülijalgsete geenidesse, mis kodeerivad ühte ribosoomi valkudest - rakulistesse "vabrikutesse" valkude sünteesiks. Selliste häiretega isikud jäävad ellu ainult seetõttu, et genoomis on kahjustatud vaid osa paljudest neid valke kodeerivatest geenidest.
On ka selliseid liikuvaid elemente, mis liiguvad ainult sugurakke tootvates reproduktiivkudedes. Seda seletatakse asjaoluga, et erinevates kudedes võib sama liikuv element tekitada liikumiseks vajaliku valgu-ensüümi molekuli erineva pikkuse ja funktsiooniga.
Viimase näiteks on P-element Drosophila melanogaster, mis sattus oma looduslikesse populatsioonidesse horisontaalse ülekande teel teisest Drosophila liigist mitte rohkem kui sada aastat tagasi. Siiski on Maal praegu vaevalt elanikkonda. Drosophila melanogaster, milles poleks P-elementi. Samas tuleb märkida, et enamik selle koopiaid on defektsed, pealegi leiti peaaegu kõikjalt sama versiooni defektist. Viimase roll genoomis on omapärane: ta on kaaslaste suhtes "talumatu" ja täidab repressori rolli, blokeerides nende liikumist. Nii et Drosophila genoomi kaitsmist "tulnuka" hüpete eest saab osaliselt teostada selle enda derivaatide abil.
Peaasi on valida õiged vanemad!
Enamik mobiilsete elementide hüppeid ei mõjuta välimus Drosophila, kuna see langeb ballasti DNA-le, kuid on ka teisi olukordi, kus nende aktiivsus suureneb järsult.
Kummalisel kombel on kõige võimsam hüppegeenide liikumist esile kutsuv tegur kehv lapsekasvatus. Näiteks, mis juhtub, kui ristate laboripopulatsioonist pärit emaseid Drosophila melanogaster, millel puudub P-element (sest nende esivanemad püüti loodusest umbes sada aastat tagasi), P-elementi kandvad isased? Hübriidides võib mobiilse elemendi kiire liikumise tõttu ilmneda suur hulk erinevaid geneetilisi häireid. See nähtus, mida nimetatakse hübriiddüsgeneesiks, on põhjustatud repressori puudumisest ema tsütoplasmas, mis keelab mobiilse elemendi liikumist.
Seega, kui populatsiooni A peigmehed ja populatsiooni B pruudid saavad luua suuri perekondi, siis pole alati vastupidine. Geneetiliselt tervete vanemate perekond võib anda suure hulga mutantseid või viljatuid järglasi või olla isegi lastetu, kui isal ja emal on genoomis erinev mobiilsete elementide komplekt. Eriti palju rikkumisi ilmneb siis, kui katse viiakse läbi temperatuuril 29 ° C. Väliste tegurite mõju geneetilisele taustale suurendab genoomi mittevastavuse mõju, kuigi need tegurid üksi (isegi ioniseeriv kiirgus) ei ole võimelised mobiilsete elementide massilist liikumist.
Sarnased sündmused Drosophila melanogaster võib toimuda teiste mobiilsete elementide perekondade osalusel.
"Mobiilne" evolutsioon
Raku genoomi võib vaadelda kui omamoodi alaliste ja ajutiste liikmete ökosüsteemi, kus naabrid mitte ainult ei eksisteeri koos, vaid ka suhtlevad üksteisega. Peremeesgeenide vastastikmõju ülekantavate elementidega on siiani halvasti mõistetav, kuid välja võib tuua palju tulemusi – alates organismi surmast olulise geeni kahjustuse korral kuni varem kahjustatud funktsioonide taastamiseni.
Juhtub, et hüppavad geenid ise suhtlevad üksteisega. Seega on teada immuunsust meenutav nähtus, kui liikuvat elementi ei saa sisse viia olemasoleva vahetusse lähedusse. Kõik mobiilsed elemendid pole aga nii õrnad: näiteks saavad R-elemendid kergesti üksteise sisse põimida ja oma vennad mängust välja viia.
Lisaks toimub genoomis ülekantavate elementide arvu omamoodi iseregulatsioon. Fakt on see, et mobiilsed elemendid saavad omavahel homoloogseid piirkondi vahetada - seda protsessi nimetatakse rekombinatsioon. Sellise interaktsiooni tulemusena võivad mobiilsed elemendid olenevalt nende orientatsioonist kaotada ( kustutamine) või laiendada ( inversioon) nende vahel paiknevad peremees-DNA fragmendid. Kui oluline osa kromosoomist kaob, sureb genoom. Inversiooni või väikese deletsiooni korral tekib kromosoomide mitmekesisus, mida peetakse evolutsiooni vajalikuks tingimuseks.
Kui erinevates kromosoomides paiknevate mobiilsete elementide vahel tekivad rekombinatsioonid, siis selle tulemusena tekivad kromosoomide ümberkorraldused, mis järgnevate rakujagunemiste käigus võivad viia genoomi tasakaalustamatuseni. Ja tasakaalustamata genoom, nagu tasakaalustamata eelarve, on väga halvasti jagatud. Seega on ebaõnnestunud genoomide surm üks põhjusi, miks aktiivsed ülekantavad elemendid ei ujuta kromosoome piiramatult üle.
Tekib loomulik küsimus: kui oluline on mobiilsete elementide panus evolutsiooni? Esiteks sisestatakse enamik ülekantavaid elemente jämedalt öeldes sinna, kus nad peavad, mille tulemusena võivad need kahjustada või muuta selle geeni struktuuri või regulatsiooni, millesse need sisestatakse. Seejärel pühib looduslik valik ebaõnnestunud valikud kõrvale ja kohanemisomadustega edukad valikud fikseeritakse.
Kui transponeeritava elemendi sissetoomise tagajärjed osutuvad neutraalseteks, saab seda varianti populatsioonis säilitada, pakkudes geeni struktuuris mõningast mitmekesisust. See võib ebasoodsates tingimustes kasulikuks osutuda. Teoreetiliselt võivad mobiilsete elementide massilise liikumise korral ilmneda mutatsioonid korraga paljudes geenides, mis võivad olla väga kasulikud eksistentsitingimuste järsu muutumise korral.
Niisiis, kokkuvõtteks: genoomis on palju mobiilseid elemente ja need on erinevad; nad võivad suhelda nii üksteisega kui ka peremeesgeenidega; võib olla kahjulik ja asendamatu. Liikuvate elementide liikumisest tingitud genoomi ebastabiilsus võib lõppeda indiviidi jaoks traagiliselt, kuid kiire muutumise võime on vajalik tingimus populatsiooni või liigi ellujäämine. See loob mitmekesisuse, mis on aluseks looduslikule valikule ja sellele järgnevatele evolutsioonilistele transformatsioonidele.
Hüppavate geenide ja immigrantide vahel võib tuua mõningase analoogia: osad immigrandid või nende järeltulijad saavad võrdväärseteks kodanikeks, teistele antakse elamisluba ja kolmandad – need, kes seadusi ei täida – saadetakse välja või pannakse vangi. Ja rahvaste massiline ränne võib riiki ennast kiiresti muuta.
Kirjandus
Ratner V. A., Vassiljeva L. A. Mobiilsete geneetiliste elementide transpositsioonide esilekutsumine stressirohke mõjuga. Vene köide. 2000.
Gvozdev V. A. Motiilne eukarüootne DNA // Sorose haridusajakiri. 1998. nr 8.
See on pandeemiline parasiit, mis nakatab 70% selgrootutest kogu maailmas ja areneb koos nendega. Kõige sagedamini nakatab parasiit putukaid, samal ajal kui see tungib nende munadesse ja spermatosoididesse ning kandub edasi järglastele. See asjaolu ajendas teadlasi eeldama, et kõik sellest tulenevad geneetilised muutused kanduvad edasi põlvest põlve.
See Jack Werreni juhitud teadlaste avastus näitab, et horisontaalne (liikidevaheline) geeniülekanne bakterite ja mitmerakuliste organismide vahel toimub sagedamini, kui tavaliselt arvatakse, ning jätab evolutsiooniprotsessile teatud jälje. Bakteriaalne DNA võib olla täieõiguslik osa organismi genoomist ja isegi vastutada teatud tunnuste kujunemise eest – vähemalt selgrootutel.
Tõenäosus, et nii suur DNA fragment on täiesti neutraalne, on minimaalne ja eksperdid usuvad, et selles sisalduvad geenid annavad putukatele teatud aretuseelised. Autorid on praegu neid eeliseid välja selgitamas. Evolutsioonibioloogid peaksid sellele avastusele suurt tähelepanu pöörama.