Podczas rozszyfrowania genomu owada stwierdzono, że. Dekodowanie ludzkiego genomu
całkowicie zdefiniowany. Dlatego też pracę nad rozszyfrowaniem genomu nicienia należy uznać za bardzo udaną.
Jeszcze większy sukces wiąże się z rozszyfrowaniem genomu Drosophila, dopiero w
2 razy mniejszy niż ludzkie DNA i 20 razy większy niż DNA nicienia. Pomimo wysokiego stopnia wiedzy genetycznej Drosophila, około 10% jej genów było dotychczas nieznanych. Ale najbardziej paradoksalne jest to, że Drosophila, która jest znacznie lepiej zorganizowana w porównaniu z nicieniem, ma mniej genów niż mikroskopijna glista! Z współczesnego biologicznego punktu widzenia trudno to wyjaśnić. Więcej genów niż Drosophila znajduje się także w rozszyfrowanym genomie rośliny z rodziny krzyżowych – Arabidopsis, powszechnie wykorzystywanej przez genetyków jako klasyczny obiekt eksperymentalny.
Rozwojowi projektów genomicznych towarzyszył intensywny rozwój w wielu obszarach nauki i technologii. Tym samym bioinformatyka otrzymała potężny impuls do swojego rozwoju. Stworzono nowy aparat matematyczny do przechowywania i przetwarzania ogromnych ilości informacji; zaprojektowano systemy superkomputerowe o niespotykanej dotąd mocy; Napisano tysiące programów, które pozwalają w ciągu kilku minut przeprowadzić analizę porównawczą różnych bloków informacji, codziennie wprowadzać nowe dane do komputerowych baz danych,
uzyskiwanych w różnych laboratoriach na całym świecie i dostosowywać nowe informacje do tych, które zostały zgromadzone wcześniej. Jednocześnie opracowano systemy umożliwiające skuteczną izolację różnych elementów genomu oraz automatyczne sekwencjonowanie, czyli określanie sekwencji nukleotydowych DNA. Na tej podstawie zaprojektowano potężne roboty, które znacznie przyspieszają sekwencjonowanie i czynią je tańszym.
Do odkrycia doprowadził z kolei rozwój genomiki ogromna ilość nowe fakty. Znaczenie wielu z nich wymaga jeszcze oceny
przyszły. Ale już teraz jest oczywiste, że odkrycia te doprowadzą do ponownego przemyślenia wielu stanowisk teoretycznych dotyczących pojawienia się i ewolucji różnych form życia na Ziemi. Przyczynią się one do lepszego zrozumienia mechanizmów molekularnych leżących u podstaw funkcjonowania poszczególnych komórek i ich interakcji; szczegółowe dekodowanie wielu wciąż nieznanych cykli biochemicznych;
analiza ich związku z podstawowymi procesami fizjologicznymi.
Zatem następuje przejście od genomiki strukturalnej do
funkcjonalne, co z kolei stwarza warunki wstępne
badania nad molekularnymi podstawami funkcjonowania komórek i organizmu jako całości.
Zgromadzone teraz informacje będą przedmiotem wewnętrznej analizy
następnych kilka dekad. Ale każdy następny krok
kierunek rozszyfrowania struktury genomów różne rodzaje, rodzi nowe technologie ułatwiające proces pozyskiwania informacji. Więc,
wykorzystanie danych o strukturze i funkcji genów niżej zorganizowanych gatunków istot żywych może znacznie przyspieszyć poszukiwania
zastępują dość pracochłonne metody molekularne poszukiwania genów.
Najważniejszą konsekwencją rozszyfrowania struktury genomu danego gatunku jest możliwość zidentyfikowania wszystkich jego genów, a co za tym idzie –
w związku z tym identyfikacja i określenie natury molekularnej transkrybowanych cząsteczek RNA i wszystkich jego białek. Przez analogię do genomu narodziły się koncepcje transkryptomu, który łączy w sobie pulę cząsteczek RNA powstałą w wyniku transkrypcji, oraz iproteomu, który obejmuje wiele białek kodowanych przez geny. Tym samym genomika stwarza podstawy intensywnego rozwoju nowych nauk – proteomiki i transkryptomika. Proteomika to badanie struktury i funkcji każdego białka; analiza składu białkowego komórki; określenie molekularnych podstaw funkcjonowania pojedynczej komórki, tj
wynik skoordynowanej pracy wielu setek białek i
badanie powstawania cechy fenotypowej organizmu,
będące efektem skoordynowanej pracy miliardów komórek.
Bardzo ważne procesy biologiczne zachodzą także na poziomie RNA. Ich analiza jest przedmiotem transkryptomiki.
Największy wysiłek naukowców z wielu krajów świata zajmujących się genomiką miał na celu rozwiązanie międzynarodowego projektu „Human Genome”. Znaczący postęp w tym obszarze wiąże się z realizacją pomysłu,
zaproponowanych przez J. S. Ventera, szukaj i analizuj
wyrażane sekwencje DNA, które można później wykorzystać jako swego rodzaju „znaczniki” lub markery pewnych regionów genomu. Inne samodzielne i nie mniej owocne podejście zastosowano w pracach grupy kierowanej przez ks.
Collinsa. Opiera się na pierwotnej identyfikacji genów odpowiedzialnych za dziedziczne choroby człowieka.
Odkodowanie struktury ludzkiego genomu doprowadziło do sensacyjnego odkrycia. Okazało się, że ludzki genom zawiera jedynie 32 000 genów, czyli kilkukrotnie mniej niż liczba białek. Jednocześnie istnieje tylko 24 000 genów kodujących białka, produktami pozostałych genów są cząsteczki RNA.
Procent podobieństwa sekwencji nukleotydów DNA pomiędzy różnymi osobnikami, grupami etnicznymi i rasami wynosi 99,9%.
To podobieństwo czyni nas ludźmi – Homo sapiens! Cała nasza zmienność na poziomie nukleotydów mieści się w bardzo skromnej liczbie - 0,1%.
Zatem genetyka nie pozostawia miejsca na idee wyższości narodowej lub rasowej.
Ale spójrzmy na siebie nawzajem – wszyscy jesteśmy inni. Jeszcze bardziej zauważalne są różnice narodowe, a tym bardziej rasowe. Jaka zatem liczba mutacji determinuje zmienność u ludzi, nie w procentach, ale w wartościach bezwzględnych? Aby uzyskać takie oszacowanie, musisz pamiętać, jaka jest wielkość genomu. Długość cząsteczki ludzkiego DNA wynosi
3,2x109 par zasad. 0,1% z tego to 3,2 miliona nukleotydów. Należy jednak pamiętać, że część kodująca genomu zajmuje mniej niż 3% całkowitej długości cząsteczki DNA, a mutacje poza tym regionem najczęściej nie mają żadnego wpływu na zmienność fenotypową. Zatem, aby uzyskać integralne oszacowanie liczby mutacji wpływających na fenotyp, musimy wziąć 3% z 3,2 miliona nukleotydów, co da nam liczbę rzędu 100 000. Oznacza to, że około 100 tysięcy mutacji tworzy nasz fenotyp zmienność. Jeśli porównamy tę liczbę z całkowitą liczbą genów, okaże się, że średnio na gen przypada 3-4 mutacje.
Jakie są te mutacje? Zdecydowana większość z nich (co najmniej 70%)
determinuje naszą indywidualną, niepatologiczną zmienność, co nas wyróżnia, ale nie pogarsza w stosunku do siebie. Obejmuje to takie cechy, jak kolor oczu, włosy, skóra, typ ciała, wzrost, waga,
rodzaj zachowania, który jest również w dużej mierze zdeterminowany genetycznie i nie tylko. Około 5% mutacji jest związanych z chorobami monogenowymi. Około jedna czwarta pozostałych mutacji należy do klasy polimorfizmów funkcjonalnych. Biorą udział w powstawaniu dziedzicznej predyspozycji do powszechnej patologii wieloczynnikowej. Oczywiście te szacunki są dość przybliżone,
umożliwiają jednak ocenę struktury ludzkiej dziedzicznej zmienności.
Rozdział 1.16. Molekularne podstawy genetyczne ewolucji
Rewolucja w dziedzinie biologii molekularnej, która nastąpiła na przełomie tysiącleci, której kulminacją było rozszyfrowanie struktury genomów wielu setek gatunków mikroorganizmów, a także niektórych gatunków pierwotniaków,
drożdże, rośliny, zwierzęta i ludzie, wywróciło do góry nogami wiele tradycyjnych koncepcji genetyki klasycznej i bardzo przybliżyło możliwość badania molekularnych mechanizmów ewolucji i specjacji. Narodziła się nowa nauka – genomika porównawcza,
umożliwiając rejestrację pojawiania się w różnych liniach filogenetycznych istotnych ewolucyjnie zdarzeń zachodzących na poziomie poszczególnych cząsteczek. Okazało się, że w ogólnym przypadku postęp ewolucyjny wiąże się nie tylko i nie tyle ze wzrostem liczby, zasięgu, a nawet złożoności strukturalnej organizacji genów, ale o wiele więcej w większym stopniu ze zmianami w regulacji ich pracy, która determinuje koordynację i specyficzność tkankową ekspresji dziesiątek tysięcy genów. Ostatecznie doprowadziło to do pojawienia się w organizmach wyższych bardziej złożonych, wysoce specyficznych, wielofunkcyjne kompleksy oddziałujące ze sobą białka zdolne do wykonywania zasadniczo nowych zadań.
Rozważmy naturę zmian zachodzących w procesie ewolucji na trzech poziomach informacyjnych: DNA – RNA – białko lub genom – transkryptom – proteom. Ogólnie można powiedzieć, że wraz ze wzrostem złożoności organizacji życia wzrasta wielkość genomu. Zatem wielkość DNA prokariotów nie przekracza 8x106 pz, u drożdży i pierwotniaków staje się dwukrotnie większa, u owadów 10-15 razy większa, a u ssaków wzrost osiąga 3 rzędy wielkości, czyli tysiąc razy (103 ).
Zależność ta nie jest jednak liniowa. Zatem u ssaków nie obserwujemy już znaczącego wzrostu wielkości genomu. Ponadto nie zawsze można zaobserwować związek pomiędzy wielkością genomu a złożonością organizacji życia. Zatem u niektórych roślin rozmiar genomu jest o rząd wielkości lub nawet o dwa rzędy wielkości większy niż u człowieka. Przypomnijmy, że wzrost wielkości genomu eukariontów w porównaniu do prokariotów następuje głównie na skutek pojawienia się sekwencji niekodujących, czyli elementów opcjonalnych. Powiedzieliśmy już, że w genomie człowieka eksony stanowią nie więcej niż 1-3%. Oznacza to, że liczba genów w organizmach wyższych może być tylko kilkukrotnie większa niż w mikroorganizmach.
Rosnąca złożoność organizacji eukariotycznej jest częściowo spowodowana pojawieniem się dodatkowy układ regulacje potrzebne do
zapewnienie tkankowej specyficzności ekspresji genów. Jedną z konsekwencji nieciągłej organizacji genów, która pojawiła się u eukariontów, było powszechne występowanie alternatywnego splicingu i alternatywnej transkrypcji. Doprowadziło to do pojawienia się nowej właściwości ogromnej liczby genów – zdolności do kodowania wielu funkcjonalnie różnych izoform białek. Zatem całkowita ilość białek
to znaczy wielkość proteomu; wyższe mogą mieć kilkukrotnie większą liczbę genów.
U prokariotów dopuszczalna jest wewnątrzgatunkowa zmienność liczby genów i
podobne różnice między różnymi szczepami wielu mikroorganizmów, m.in
w tym chorobotwórczych, może sięgać kilkudziesięciu procent. Jednocześnie złożoność organizacji różne rodzaje mikroorganizmów bezpośrednio koreluje z liczbą i zakresem sekwencji kodujących.
Zatem fenotypowa zmienność wewnątrz- i międzygatunkowa jest ściśle powiązana z bardzo podobnymi rozmiarami transkryptomu i proteomu. U eukariontów liczba genów jest ściśle określoną cechą gatunkową, a wzrost złożoności ewolucyjnej opiera się na innej zasadzie - zróżnicowanym, wielopoziomowym wykorzystaniu różnych składników ograniczonego i dość stabilnego proteomu.
Sekwencjonowanie genomów nicieni i Drosophila wykazało, że rozmiary proteomów u tych bardzo różnych gatunków są bardzo podobne i tylko dwukrotnie większe niż u drożdży i niektórych typów bakterii. Ten wzór – znaczny wzrost złożoności organizacji różnych form życia przy zachowaniu lub stosunkowo niewielki wzrost rozmiaru proteomu – jest charakterystyczny dla całej późniejszej ewolucji aż do człowieka. Więc,
Proteomy człowieka i myszy praktycznie nie różnią się od siebie i są niecałe 2 razy większe niż proteomy mikroskopijnego nicienia obleńca czy muszki owocowej Drosophila. Co więcej, tożsamość sekwencji nukleotydowych ludzkiego DNA i
wielkich małp wynosi 98,5%, a w regionach kodujących sięga 99%. Liczby te niewiele odbiegają od wartości 99,9%,
określanie wewnątrzgatunkowego podobieństwa sekwencji nukleotydów DNA pomiędzy różnymi osobnikami, ludami i rasami zamieszkującymi naszą planetę. Jakie zatem zmiany, stanowiące nie więcej niż 1,5% całego genomu, są kluczowe w kształtowaniu się człowieka? Odpowiedzi na to pytanie najwyraźniej należy szukać nie tylko na poziomie genomicznym i proteomicznym.
Rzeczywiście, wraz ze względną stabilnością proteomu, w
W procesie ewolucji następuje gwałtowny wzrost wielkości i złożoności organizacji transkryptomu eukariotycznego ze względu na pojawienie się w genomie ogromnej liczby transkrybowanego i niekodującego DNA, a także znaczną ekspansję klasa genów kodujących RNA. RNA niekodujące białek, których głównym źródłem są introny,
stanowią zdecydowaną większość transkryptomu organizmów wyższych,
osiągając 97-98% wszystkich jednostek transkrypcyjnych. Funkcje tych cząsteczek są obecnie intensywnie analizowane.
Zatem kluczowe zmiany ewolucyjne zachodzą na tle wzrostu wielkości genomu, w miarę stabilnego proteomu i gwałtownego wzrostu wielkości transkryptomu – ryc. 31.
Rysunek 31. Zmiany ewolucyjne zachodzące w trzech
poziomy informacyjne Jednocześnie oczywiste jest przejście od prostych form życia do bardziej złożonych
koreluje z pojawieniem się i powszechnym rozmieszczeniem w genomie dwóch podstawowych i w pewnym stopniu powiązanych ze sobą nabytków ewolucyjnych: niekodującego DNA i elementów powtarzalnych. Bezpośrednią konsekwencją tych zmian zachodzących na poziomie genomu jest pojawienie się w procesie ewolucji ogromnej liczby RNA niekodujących białek.
Jaka jest strukturalna podstawa tych ewolucyjnych przemian?
Wszystkim głównym przemianom ewolucyjnym: od prokariotów do eukariotów, od pierwotniaków do metazoanów, od pierwszych zwierząt do zwierząt dwustronnych i od prymitywnych strunowców do kręgowców, towarzyszył gwałtowny wzrost złożoności genomu. Najwyraźniej takie skoki w ewolucji są wynikiem rzadkich przypadków udanej fuzji całych genomów różnych gatunków należących do klas systematycznych, które oddzieliły się od siebie na znaczną odległość. Zatem symbioza Archeonów i bakterii zapoczątkowała przejście od prokariotów do eukariontów. Jest oczywiste, że w wyniku endosymbiozy pojawiły się także mitochondria, chloroplasty i niektóre inne organelle komórkowe. Podstawowa właściwość wyższych eukariontów, diploidia, powstała w wyniku dobrze regulowanej duplikacji genomu, która miała miejsce około 500 milionów lat temu.
Duplikacje genomu w obrębie gatunku występowały dość często i
przykładem są liczne przypadki poliploidii u roślin,
grzyby, a czasem nawet zwierzęta. Jednak potencjalne mechanizmy
prowadzącymi do pojawienia się zasadniczo nowych form życia w procesie ewolucji nie są autopoliploidia, ale hybrydyzacja i poziomy transfer lub fuzja genomów. Warto zauważyć, że najważniejsze przemiany ewolucyjne, którym towarzyszy fuzja całych genomów, zachodzą w niezwykłych warunkach, w okresach większych przemian geologicznych, takich jak zmiany stężenia tlenu w atmosferze, zlodowacenie Ziemi czy kambr. Eksplozja.
W stosunkowo spokojnych warunkach geologicznych duplikacje poszczególnych genów lub segmentów chromosomów wraz z ich późniejszą rozbieżnością okazują się bardziej istotne dla ewolucji. Porównanie sekwencji nukleotydowych sekwencjonowanych genomów pokazuje, że częstotliwość duplikacji genów jest dość wysoka i średnio wynosi 0,01 na gen na milion lat. Zdecydowana większość z nich nie ujawnia się w ciągu najbliższych kilku milionów lat i to tylko w rzadkich przypadkach
W niektórych przypadkach zduplikowane geny mogą uzyskać nowe funkcje adaptacyjne. Jednakże duża klasa „cichych” duplikacji genów służy jako rodzaj funduszu rezerwowego na narodziny nowych genów i powstawanie nowych gatunków. Ludzki genom zawiera od 10 do 20 tysięcy kopii przetworzonych genów, które powstały w wyniku retropozycji mRNA.
Większość z nich należy do klasy pseudogenów, to znaczy nie ulega ekspresji ani z powodu obecności mutacji, ani z powodu insercji w nieaktywne transkrypcyjnie regiony genomu. Jednak część z tych genów jest aktywna, a charakter ich ekspresji, a nawet funkcje mogą być różne,
niż geny założycielskie.
Odgrywają szczególną rolę w ewolucji naczelnych i człowieka. duplikacje segmentowe, należące do klasy niskich powtórzeń kopii (LCR) i
powstał niecałe 35 milionów lat temu. Sekwencje te są bardzo identycznymi blokami DNA, różniącymi się wielkością od jednej do kilkuset kilozasad. Najczęściej duplikacje segmentowe zlokalizowane są w regionach perycentromerowych lub telomerowych różnych chromosomów i łącznie zajmują około 5% ludzkiego genomu.
W innych sekwencjonowanych genomach nie znaleziono żadnych duplikacji segmentowych.
Minimalny moduł duplikacji segmentowej, zwany duplikonem, zawiera fragmenty niepowiązanych, nieprzetworzonych genów i
to odróżnia go od innych znanych typów powtarzających się sekwencji. Na określone warunki Duplikony mogą służyć jako źródła tworzenia nowych chimerycznych transkrybowanych genów lub rodzin genów z różnych kombinacji obecnych w nich eksonów kodujących. Szacuje się, że genom szympansa i człowieka można odróżnić od 150 do 350 genów.
Nie umniejszając znaczenia pojawiania się nowych i zanikania starych sekwencji kodujących dla specjacji, należy podkreślić realną możliwość istnienia innych mechanizmów,
odgrywają decydującą rolę w ewolucji eukariontów.
Jednym z mechanizmów napędowych ewolucji są elementy ruchome, występujące u wszystkich gatunków badanych pod tym kątem.
Zmiany genomowe towarzyszące procesowi specjacji mogą obejmować rozległe reorganizacje kariotypu, lokalne rearanżacje chromosomów, duplikacje rodzin genów, modyfikacje poszczególnych genów,
którym towarzyszą ich narodziny lub utrata, a także różnice w ekspresji genów, regulowane zarówno na poziomie transkrypcji, jak i na poziomie splicingu lub translacji. Ze wszystkimi tymi procesami bezpośrednio powiązane są elementy mobilne.
W niektórych przypadkach same elementy transpozycyjne niosą sekwencje kodujące enzymy, których obecność jest niezbędna do transpozycji DNA lub retropozycji RNA.
Podobne sekwencje występują w genomie retrowirusów, LTR-
elementy i transpozony. Do retrotranspozonów zalicza się także najliczniejszą klasę elementów transpozycyjnych – powtórzenia Alu. Po raz pierwszy Alu-
powtórzenia pojawiają się u naczelnych około 50-60 milionów lat temu z małego genu kodującego RNA. W procesie dalszej ewolucji dochodzi do rozbieżności i silnego wzmocnienia tej rodziny. Przejściu od naczelnych do ludzi towarzyszy gwałtowny wzrost ich liczebności
Powtórzenie Alu, którego liczba egzemplarzy według niektórych szacunków sięga
1,1 miliona. Powtórzenia Alu zajmują około 10% ludzkiego genomu, ale ich rozmieszczenie jest nierównomierne, ponieważ są głównie związane z genami. Elementy te rzadko występują w eksonach kodujących, a dość często występują w intronach i niekodujących regionach mRNA, wpływając na stabilność tych cząsteczek i/lub wydajność translacji. Obecności sekwencji Alu w regionach intronowych genów może towarzyszyć zmiana charakteru przetwarzania preRNA, ponieważ sekwencje te zawierają regiony homologiczne do miejsc splicingu dawcy i akceptora. Gdy elementy Alu zostaną wstawione do regionów regulatorowych genu, transkrypcja może zostać zakłócona, co może skutkować:
Próbka ogólnorosyjskiego testu z biologii
Klasa 11
Instrukcje dotyczące wykonania pracy
Test składa się z 14 zadań. Na wykonanie pracy z biologii przeznaczono 1 godzinę 30 minut (90 minut).
Odpowiedzi do zadań to ciąg liczb, cyfra, słowo (fraza) lub krótka, dowolna odpowiedź, którą wpisuje się w przeznaczonym do tego miejscu miejscu. Jeżeli zapisałeś błędną odpowiedź, przekreśl ją i wpisz obok nową.
Wykonując zadania, możesz skorzystać z wersji roboczej. Wpisy w projekcie nie są brane pod uwagę przy ocenianiu pracy. Radzimy wykonywać zadania w kolejności, w jakiej są podane. Aby zaoszczędzić czas, pomiń zadanie, którego nie możesz wykonać od razu i przejdź do następnego. Jeśli po wykonaniu całej pracy zostanie Ci trochę czasu, możesz wrócić do pominiętych zadań.
Punkty otrzymane za wykonane zadania sumują się.
Postaraj się wykonać jak najwięcej zadań i zdobyć jak najwięcej punktów.
Objaśnienia dla próbki ogólnorosyjskiej praca testowa
Zapoznając się z przykładową pracą testową, należy pamiętać, że zadania zawarte w próbie nie odzwierciedlają wszystkich umiejętności i zagadnień merytorycznych, które będą sprawdzane w ramach ogólnorosyjskiej pracy testowej. Pełną listę elementów treści i umiejętności, które można sprawdzić w pracy, podano w kodyfikatorze elementów treści i wymagań dotyczących poziomu wyszkolenia absolwentów w zakresie opracowania płyty CD z biologii. Celem przykładowej pracy testowej jest przedstawienie struktury VPR, liczby i formy zadań oraz ich poziomu złożoności.
1. W eksperymencie eksperymentator oświetlił część kropli zawierającą ameby. Po krótkim czasie pierwotniaki zaczęły aktywnie poruszać się w jednym kierunku.
1.1. Jaką właściwość organizmów ilustruje to doświadczenie?
Wyjaśnienie: istnieje 7 właściwości organizmów żywych (tymi cechami istoty żywe różnią się od istot nieożywionych): odżywianie, oddychanie, drażliwość, ruchliwość, wydalanie, rozmnażanie, wzrost. Ameby przechodzą z jasnej części kropli do ciemnej, reagując na światło, czyli wybieramy właściwość - drażliwość.
Odpowiedź: drażliwość.
1.2. Podaj przykład podobnego zjawiska u roślin.
Wyjaśnienie: tutaj możemy zapisać dowolny przykład reakcji (przejawu drażliwości) u roślin.
Odpowiedź: zamknięcie aparatu pułapkowego u roślin mięsożernych LUB odwrócenie liści w kierunku słońca lub ruch słoneczników w ciągu dnia następującego po słońcu LUB wygięcie łodyg na skutek zmian w krajobrazie ( środowisko).
2. Na skraju lasu żyje i współdziała wiele roślin, zwierząt, grzybów i mikroorganizmów. Rozważmy grupę obejmującą żmiję, orła, jeża, żyworodną jaszczurkę i konik polny. Wykonaj zadania.
2.1. Podpisz obiekty pokazane na fotografiach i rysunkach, które zaliczają się do powyższej grupy.
1 - żyworodna jaszczurka
2 - żmija
3 - zespół jeża
4 - konik polny
5 - orzeł
2.2. Klasyfikuj te organizmy ze względu na ich pozycję w łańcuchu pokarmowym. W każdej komórce zapisz numer lub nazwę jednego z obiektów w grupie.
Łańcuch pokarmowy: jeż - konik polny - żyworodna jaszczurka - żmija - orzeł.
Wyjaśnienie: łańcuch pokarmowy rozpoczynamy od producenta (roślina zielona - producent substancji organicznych) - jeża, następnie konsumenta I rzędu (konsumenci spożywają substancje organiczne i mają kilka zamówień) - konika polnego, żyworodnej jaszczurki (konsument II rzędu) , żmija (konsument trzeciego rzędu), orzeł (konsument czwartego rzędu).
2.3. Jak zmniejszenie liczby jeży w drużynie wpłynie na liczbę orłów? Uzasadnij swoją odpowiedź.
Odpowiedź: gdy liczba jeży w drużynie maleje, liczba wszystkich kolejnych elementów i ostatecznie orłów maleje, to znaczy maleje liczba orłów.
3. Spójrz na obrazek przedstawiający schemat obiegu węgla w przyrodzie. Podaj nazwę substancji oznaczoną znakiem zapytania.
Wyjaśnienie: Znak zapytania oznacza dwutlenek węgla (CO2), ponieważ CO2 powstaje podczas spalania, oddychania i rozkładu materii organicznej, a podczas fotosyntezy powstaje (a także rozpuszcza się w wodzie).
Odpowiedź: dwutlenek węgla (CO2).
4. Peter zmieszał równe ilości enzymu i jego substratu w 25 probówkach. Probówki pozostawiono na ten sam czas o godz różne temperatury mierzono szybkość reakcji. Na podstawie wyników eksperymentu Peter skonstruował wykres (oś x przedstawia temperaturę (w stopniach Celsjusza), a oś y przedstawia szybkość reakcji (w dowolnych jednostkach).
Opisać zależność szybkości reakcji enzymatycznej od temperatury.
Odpowiedź: gdy temperatura wzrośnie do 30 ° C, szybkość reakcji wzrasta, a następnie zaczyna spadać. Optymalna temperatura to 38°C.
5. Ustal kolejność podporządkowania elementów układów biologicznych, zaczynając od największego.
Brakujące elementy:
1 osoba
2. Biceps
3. Komórka mięśniowa
4. Ręka
5. Aminokwas
6. Białko aktyny
Zapisz odpowiedni ciąg liczb.
Objaśnienie: Układa elementy zaczynając od najwyższego poziomu:
człowiek jest organizmem
ręka - narząd
biceps - tkanina
komórka mięśniowa - komórkowa
białko aktyny - molekularne (białka składają się z aminokwasów)
aminokwas - molekularny
Odpowiedź: 142365.
6. Białka pełnią wiele ważnych funkcji w organizmie człowieka i zwierzęcia: dostarczają organizmowi materiał budowlany, są biologicznymi katalizatorami lub regulatorami, zapewniają ruch, część transportu tlenu. Aby organizm nie doświadczał problemów, człowiek potrzebuje 100-120 g białka dziennie.
6.1. Korzystając z tabeli, oblicz, ile białka otrzymała osoba podczas obiadu, jeśli w jej diecie znajdowało się: 20 g chleba, 50 g kwaśnej śmietany, 15 g sera i 75 g dorsza. Zaokrąglij odpowiedź do liczb całkowitych.
Wyjaśnienie: 100 g chleba zawiera 7,8 g białka, następnie 20 g chleba zawiera 5 razy mniej białka – 1,56 g. 100 g kwaśnej śmietany zawiera 3 g białka, wówczas 50 g zawiera 2 razy mniej – 1,5 g. Na 100 g sera – 20 g białka, w 15 g sera – 3 g, w 100 g dorsza – 17,4 g białka, w 75 g dorsza – 13,05 g.
Razem: 1,56 + 1,5 + 3 + 13,05 = 19,01 (co w przybliżeniu równa się 19).
Odpowiedź: 19
LUB
6.1 Osoba wypiła filiżankę mocnej kawy zawierającej 120 mg kofeiny, która została całkowicie wchłonięta i równomiernie rozprowadzona we krwi i innych płynach ustrojowych. U badanej osoby objętość płynów ustrojowych można uznać za równą 40 litrów. Oblicz, po jakim czasie od spożycia (w godzinach) kofeina przestanie działać na tę osobę, jeśli kofeina przestanie działać w stężeniu 2 mg/l, a jej stężenie spadnie o 0,23 mg na godzinę. Zaokrąglij odpowiedź do części dziesiątych.
Wyjaśnienie: 120 mg kofeiny rozprowadzono po całym organizmie człowieka w objętości 40 litrów, czyli stężenie wynosiło 3 mg/l. Przy stężeniu 2 mg/l kofeina przestaje działać, czyli skuteczny jest dopiero 1 mg/l. Aby obliczyć liczbę godzin, należy podzielić 1 mg/l przez 0,23 mg (spadek stężenia na godzinę) i otrzymamy 4,3 godziny.
Odpowiedź: 4,3 godziny.
6.2. Wymień jeden z enzymów wytwarzanych przez gruczoły układu trawiennego:
Odpowiedź: ściany żołądka wytwarzają pepsynę, która w kwaśnym środowisku rozkłada białka na dipeptydy. Lipaza rozkłada lipidy (tłuszcze). Nukleazy rozkładają kwasy nukleinowe. Amylaza rozkłada skrobię. Maltaza rozkłada maltozę na glukozę. Laktaza rozkłada laktozę na glukozę i galaktozę. Musisz napisać jeden enzym.
7. Ustal pochodzenie wymienionych chorób. Wpisz numery poszczególnych chorób z listy w odpowiednich komórkach tabeli. W komórkach tabeli można zapisać kilka liczb.
Lista chorób człowieka:
1. Hemofilia
2. Ospa wietrzna
3. Szkorbut
4. Zawał mięśnia sercowego
5. Cholera
Wyjaśnienie: Patrz Choroby Ludzkie dla CDF
8. Metoda genealogiczna jest szeroko stosowana w genetyce medycznej. Polega na sporządzeniu rodowodu danej osoby i badaniu dziedziczenia określonej cechy. W takich badaniach stosuje się określone oznaczenia. Przestudiuj fragment drzewa genealogicznego jednej rodziny, której niektórzy członkowie mają zrośnięty płatek ucha.
Korzystając z zaproponowanego schematu, określ, czy dana cecha jest dominująca, czy recesywna i czy jest powiązana z chromosomami płciowymi.
Wyjaśnienie: cecha jest recesywna, gdyż w pierwszym pokoleniu nie występuje w ogóle, natomiast w drugim pokoleniu pojawia się jedynie u 33% dzieci. Cecha ta nie jest powiązana z płcią, ponieważ występuje zarówno u chłopców, jak i dziewcząt.
Odpowiedź: recesywna, niezwiązana z płcią.
9. Władimir zawsze chciał mieć grube włosy jak jego tata (cecha dominująca (A)). Ale jego włosy były miękkie, jak jego matki. Określ genotypy członków rodziny na podstawie jakości włosów. Wpisz swoje odpowiedzi do tabeli.
Wyjaśnienie: miękkie włosy są cechą recesywną (a), ojciec jest heterozygotą pod względem tej cechy, ponieważ syn jest homozygotą recesywną (aa), podobnie jak matka. To jest:
R: Aa x aa
G: Ach, a x a
F1: Aa - 50% dzieci z grubymi włosami
aa - 50% dzieci z miękkimi włosami.
Odpowiedź:
Matka | Ojciec | Syn |
aha | Ach | aha |
10. Ekaterina zdecydowała się oddać krew jako dawca. Kiedy pobrano krew, okazało się, że Ekaterina tak III grupa. Ekaterina wie, że jej matka ma grupę krwi I.
10.1. Jaką krew mógł mieć ojciec Katarzyny?
Wyjaśnienie: z danych zawartych w tabeli wynika, że ojciec Katarzyny może mieć grupę krwi III lub IV.
Odpowiedź: III lub IV.
10.2. Na podstawie zasad transfuzji krwi ustal, czy Katarzyna może zostać dawcą krwi dla swojego ojca.
Opis: Ekaterina, posiadająca grupę krwi I, jest dawcą uniwersalnym (pod warunkiem dopasowania czynników Rh), co oznacza, że krew może być przetaczana od niej do ojca.
Odpowiedź: może.
11. Funkcją organelli pokazanej na rysunku jest utlenianie substancji organicznych i magazynowanie energii podczas Synteza ATP. Wewnętrzna błona tej organelli odgrywa ważną rolę w tych procesach.
11.1. Jak nazywa się ta organella?
Odpowiedź: Zdjęcie przedstawia mitochondria.
11.2. Wyjaśnij, w jaki sposób upakowanie błony wewnętrznej organelli wiąże się z pełnioną przez nią funkcją.
Odpowiedź: za pomocą fałdów błony wewnętrznej zwiększa powierzchnię wewnętrzną organelli i można utlenić większą liczbę substancji organicznych, a także można wytworzyć większą ilość ATP przez syntazy ATP - kompleksy enzymatyczne wytwarzające energia w postaci ATP (główna cząsteczka energii).
12. Fragment mRNA ma następującą sekwencję:
UGCGAAUGUUUUGTSUG
Określ sekwencję odcinka DNA, który posłużył jako matryca do syntezy tej cząsteczki RNA, oraz sekwencję białka kodowanego przez ten fragment mRNA. Wykonując zadanie skorzystaj z zasady komplementarności i tabeli kodu genetycznego.
Zasady korzystania ze stołu
Pierwszy nukleotyd w triplecie jest pobierany z lewego pionowego rzędu; drugi - od górnego poziomego rzędu i trzeci - od prawego pionowego rzędu. Tam, gdzie przecinają się linie wychodzące ze wszystkich trzech nukleotydów, znajduje się pożądany aminokwas.
Wyjaśnienie: podziel sekwencję na triplety (po trzy nukleotydy każdy): UGC GAA UGU UUG TsUG. Zapiszmy odpowiednią sekwencję nukleotydów w DNA (odwrotna komplementarna sekwencja nukleotydów, biorąc pod uwagę, że A-T (w RNA U), G-C.
Czyli łańcuch DNA: ACG CTT ACA AAU GAU.
Korzystając z sekwencji RNA, znajdujemy odpowiednią sekwencję aminokwasów. Pierwszy aminokwas to cis, następnie glu, cis, leu, leu.
Białko: cis-glu-cis-ley-ley.
12.3. Podczas rozszyfrowania genomu pomidora stwierdzono, że we fragmencie cząsteczki DNA udział tyminy wynosi 20%. Korzystając z reguły Chargaffa, która opisuje ilościowe zależności pomiędzy różnymi typami zasad azotowych w DNA (G+T = A+C), oblicz ilość (w%) nukleotydów z cytozyną w tej próbce.
Wyjaśnienie: jeśli ilość tyminy wynosi 20%, to ilość adeniny również wynosi 20% (ponieważ są one komplementarne). Dla guaniny i cytozyny pozostaje 60% (100 - (20 + 20)), czyli po 30%.
Odpowiedź: cytozyna stanowi 30%.
13. Nowoczesną teorię ewolucji można przedstawić za pomocą poniższego diagramu.
Odpowiedź: prawdopodobnie mieli to przodkowie żyrafy różne długości szyje, ale ponieważ żyrafy musiały dotrzeć do wysoko rosnących zielonych liści, przetrwały tylko żyrafy z długimi szyjami, czyli najbardziej sprawne (cecha ta była przekazywana z pokolenia na pokolenie, co doprowadziło do zmiany składu genetycznego populacji) . Tak więc podczas doboru naturalnego przeżyły tylko osobniki o najdłuższych szyjach, a długość szyi stopniowo rosła.
14. Zdjęcie przedstawia kordait, wymarłą drzewiastą roślinę nagonasienną, która żyła 370-250 milionów lat temu.
Korzystając z fragmentu tablicy geochronologicznej, określ epokę i okresy, w których żył ten organizm. Jakie rośliny były ich potencjalnymi przodkami?
Tabela geochronologiczna
Opis: Nagonasienne pojawiły się prawdopodobnie w epoce paleozoiku. okresy: perm, karbon (prawdopodobnie dewon). Powstały z paproci drzewiastych (bardziej prymitywne rośliny kwitły w epoce paleozoiku, a nagonasienne rozprzestrzeniły się szeroko i rozkwitły w epoce mezozoiku).
Epoka: paleozoik
Okresy: perm, karbon, dewon
Możliwi przodkowie: paprocie drzewiaste
2 018 Służba federalna do sprawowania nadzoru w dziedzinie oświaty i nauki Federacja Rosyjska
W 50. rocznicę odkrycia struktury DNA
AV Zelenin
GENOM ROŚLINNY
A. V. Zelenin
Zelenin Aleksander Władimirowicz- doktor nauk biologicznych,
Kierownik Laboratorium Instytutu Biologii Molekularnej im. VA Engelhardta RAS.
Imponujące osiągnięcia programu Human Genome, a także sukcesy prac nad rozszyfrowaniem genomów tzw. ultramałych (wirusy), małych (bakterie, drożdże) i średnich (glisty, Drosophila) umożliwiły przejść do badań na dużą skalę genomów roślin dużych i bardzo dużych. Pilną potrzebę szczegółowych badań genomów najważniejszych gospodarczo roślin podkreślono na spotkaniu poświęconym genomice roślin, które odbyło się w 1997 roku w USA [,]. Na przestrzeni lat odniesiono na tym polu niewątpliwe sukcesy. W 2000 roku ukazała się publikacja na temat pełnego sekwencjonowania (ustalenia liniowej sekwencji nukleotydowej całego DNA jądrowego) genomu gorczycy małej Arabidopsis, a w 2001 roku - wstępnego (projektowego) sekwencjonowania genomu ryżu. Wielokrotnie zgłaszano prace nad sekwencjonowaniem genomów roślin dużych i bardzo dużych (kukurydzy, żyta, pszenicy), lecz wiadomości te nie zawierały konkretnych informacji i były raczej deklaracjami woli.
Oczekuje się, że rozszyfrowanie genomów roślin otworzy przed nauką i praktyką szerokie perspektywy. Po pierwsze, identyfikacja nowych genów i łańcucha ich regulacji genetycznej znacząco zwiększy produktywność roślin dzięki zastosowaniu podejść biotechnologicznych. Odkrycie, izolacja, rozmnażanie (klonowanie) i sekwencjonowanie genów odpowiedzialnych za tak ważne funkcje organizmu roślinnego, jak rozmnażanie i produktywność, procesy zmienności, odporność na niekorzystne czynniki środowiskowe, a także homologiczne parowanie chromosomów, wiąże się z pojawieniem się nowych możliwości usprawnienia procesu selekcji. Wreszcie, wyizolowane i sklonowane geny można wykorzystać do uzyskania roślin transgenicznych o zasadniczo nowych właściwościach i przeanalizować mechanizmy regulacji aktywności genów.
Znaczenie badania genomów roślin podkreśla także fakt, że dotychczas liczba zlokalizowanych, sklonowanych i zsekwencjonowanych genów roślinnych jest niewielka i według różnych szacunków waha się w granicach 800–1200. To 10–15 razy mniej niż np. na przykład u ludzi.
Niewątpliwym liderem w zakrojonych na szeroką skalę badaniach genomów roślin pozostają Stany Zjednoczone, choć intensywne badania nad genomem ryżu prowadzone są w Japonii, a w ostatnie lata i w Chinach. Oprócz laboratoriów amerykańskich, w rozszyfrowaniu genomu Arabidopsis brały czynny udział europejskie grupy badawcze. Widoczne przywództwo Stanów Zjednoczonych budzi poważne obawy wśród europejskich naukowców, co jasno wyrazili na spotkaniu wymownie zatytułowanym „Perspektywy genomiki w erze postgenomicznej”, które odbyło się we Francji pod koniec 2000 roku. Postęp nauki amerykańskiej w badaniu genomów roślin rolniczych i tworzeniu transgenicznych form roślin, zdaniem europejskich naukowców, grozi, że w niezbyt odległej przyszłości (od dwóch do pięciu dekad), kiedy wzrost populacji postawi ludzkość w obliczu ogólnego kryzysu żywnościowego, europejska gospodarka i nauka staną się zależne od technologii amerykańskiej. W związku z tym ogłoszono utworzenie francusko-niemieckiego programu naukowego badania genomów roślin (Plantgene) i zainwestowanie w niego znacznych środków.
Oczywiście problemy genomiki roślin powinny przyciągać szczególną uwagę rosyjskich naukowców i organizatorów nauki, a także organów zarządzających, ponieważ mówimy nie tylko o prestiżu naukowym, ale także o bezpieczeństwie narodowym kraju. Za jedną lub dwie dekady żywność stanie się najważniejszym zasobem strategicznym.
TRUDNOŚCI W BADANIU GENOMÓW ROŚLINNYCH
Badanie genomów roślin jest zadaniem znacznie bardziej złożonym niż badanie genomu ludzi i innych zwierząt. Dzieje się tak na skutek następujących okoliczności:
ogromne rozmiary genomów, sięgające dziesiątek, a nawet setek miliardów par nukleotydów (pz) dla poszczególnych gatunków roślin: genomy głównych roślin ważnych gospodarczo (z wyjątkiem ryżu, lnu i bawełny) są albo zbliżone wielkością do genomu ludzkiego, albo go przekraczają wiele razy (tabela);BADANIA GENOMU CHROMOSOMALNEGOOstre wahania liczby chromosomów u różnych roślin - od dwóch u niektórych gatunków do kilkuset u innych i nie jest możliwe określenie ścisłej korelacji między wielkością genomu a liczbą chromosomów;
Obfitość form poliploidalnych (zawierających więcej niż dwa genomy na komórkę) o podobnych, ale nie identycznych genomach (allopoliploidia);
Ekstremalne wzbogacenie genomów roślin (do 99%) w „nieistotne” (niekodujące, czyli niezawierające genów) DNA, co znacznie komplikuje łączenie (układanie we właściwej kolejności) sekwencjonowanych fragmentów we wspólny duży- wielkość regionu DNA (kontig);
Niekompletne (w porównaniu z genomami Drosophila, człowieka i myszy) mapowanie morfologiczne, genetyczne i fizyczne chromosomów;
Praktyczna niemożność rozróżnienia czysta forma poszczególnych chromosomów przy użyciu metod zwykle stosowanych w tym celu w przypadku chromosomów ludzkich i zwierzęcych (sortowanie przepływowe i wykorzystanie hybryd komórkowych);
Trudność mapowania chromosomów (określenia lokalizacji na chromosomie) poszczególnych genów za pomocą hybrydyzacji na miejscu, zarówno ze względu na wysoką zawartość „nieistotnego” DNA w genomach roślinnych, jak i specyfikę organizacji strukturalnej chromosomów roślinnych;
Ewolucyjny dystans roślin od zwierząt, który poważnie komplikuje wykorzystanie informacji uzyskanych w wyniku sekwencjonowania genomu ludzi i innych zwierząt do badania genomów roślin;
Długi proces rozmnażania większości roślin, co znacznie spowalnia ich analizę genetyczną.
Badania chromosomalne (cytogenetyczne) genomów w ogóle, a roślin w szczególności, mają długą historię. Termin „genom” zaproponowano do określenia haploidalnego (pojedynczego) zestawu chromosomów wraz z zawartymi w nich genami już w pierwszej ćwierci XX wieku, czyli na długo przed ustaleniem roli DNA jako nośnika informacji genetycznej.
Opis genomu nowego, wcześniej niezbadanego genetycznie organizmu wielokomórkowego zwykle rozpoczyna się od zbadania i opisu pełnego zestawu jego chromosomów (kariotypu). Dotyczy to oczywiście również roślin, których ogromna liczba nawet nie zaczęła być badana.
Już u zarania badań chromosomowych porównywano genomy pokrewnych gatunków roślin na podstawie analizy koniugacji mejotycznej (unifikacji chromosomów homologicznych) u mieszańców międzygatunkowych. W ciągu ostatnich 100 lat możliwości analizy chromosomów dramatycznie się rozwinęły. Obecnie do charakteryzacji genomów roślin wykorzystuje się bardziej zaawansowane technologie: różne warianty tzw. barwienia różnicowego, które umożliwia identyfikację poszczególnych chromosomów na podstawie cech morfologicznych; hybrydyzacja na miejscu, umożliwienie lokalizacji określonych genów na chromosomach; badania biochemiczne białek komórkowych (elektroforeza i immunochemia) i wreszcie zestaw metod opartych na analizie chromosomalnego DNA aż do jego sekwencjonowania.
Ryż. 1. Kariotypy zbóż: a - żyto (14 chromosomów), b - pszenica durum (28 chromosomów), c - pszenica miękka (42 chromosomy), d - jęczmień (14 chromosomów)Badania kariotypów zbóż, przede wszystkim pszenicy i żyta, prowadzone są od wielu lat. Co ciekawe, u różnych gatunków tych roślin liczba chromosomów jest różna, ale zawsze jest wielokrotnością siedmiu. Poszczególne gatunki zbóż można wiarygodnie zidentyfikować na podstawie ich kariotypu. Na przykład genom żyta składa się z siedmiu par dużych chromosomów z intensywnie zabarwionymi heterochromatycznymi blokami na końcach, często nazywanymi segmentami lub prążkami (ryc. 1a). Genomy pszenicy mają już 14 i 21 par chromosomów (ryc. 1, b, c), a rozkład w nich bloków heterochromatycznych nie jest taki sam jak w chromosomach żyta. Poszczególne genomy pszenicy, oznaczone A, B i D, również różnią się od siebie. Wzrost liczby chromosomów z 14 do 21 prowadzi do gwałtownej zmiany właściwości pszenicy, co znajduje odzwierciedlenie w ich nazwach: durum, lub makaron pszenny i miękki lub chleb pszenny. Gen D, który zawiera geny białek glutenu, odpowiada za nabywanie przez pszenicę miękką wysokich właściwości wypiekowych, co nadaje ciastu tzw. kiełkowanie. To właśnie temu genomowi poświęca się szczególną uwagę przy doskonaleniu selekcji pszenicy chlebowej. Inne zboże 14-chromosomowe, jęczmień (ryc. 1, d), zwykle nie jest używane do produkcji chleba, ale służy jako główny surowiec do produkcji tak powszechnych produktów, jak piwo i whisky.
Intensywnie badane są chromosomy niektórych dzikich roślin wykorzystywanych do poprawy jakości najważniejszych gatunków rolniczych, np. dzikich krewnych pszenicy - Aegilops. Nowe formy roślinne powstają poprzez krzyżowanie (ryc. 2) i selekcję. W ostatnich latach znaczny postęp w metodach badawczych umożliwił rozpoczęcie badań genomów roślin, których cechy kariotypu (głównie mała wielkość chromosomów) czyniły je wcześniej niedostępnymi do analizy chromosomowej. Tak więc dopiero niedawno po raz pierwszy zidentyfikowano wszystkie chromosomy bawełny, rumianku i lnu.
Ryż. 2. Kariotypy pszenicy i mieszańca pszenno-Aegilopsa
a - pszenica zwyczajna heksaploidalna ( Triticum astivum), składający się z genomów A, B i O; b - pszenica tetraploidalna ( Triticum timopheevi), składający się z genomów A i G. zawiera geny odporności na większość chorób pszenicy; c - hybrydy Triticum astivum X Triticum timopheevi, odporny na mączniaka prawdziwego i rdzę, wyraźnie widoczna jest wymiana części chromosomówPODSTAWOWA STRUKTURA DNA
Wraz z rozwojem genetyki molekularnej rozszerzyła się sama koncepcja genomu. Obecnie termin ten jest interpretowany zarówno w klasycznym sensie chromosomalnym, jak i współczesnym molekularnym: cały materiał genetyczny pojedynczego wirusa, komórki i organizmu. Naturalnie, po zbadaniu pełnej struktury pierwszorzędowej genomów (jak często nazywa się pełną liniową sekwencję zasad kwasów nukleinowych) szeregu mikroorganizmów i człowieka, pojawiło się pytanie o sekwencjonowanie genomów roślin.
Spośród wielu organizmów roślinnych do badań wybrano dwa - Arabidopsis, reprezentujący klasę dwuliściennych (wielkość genomu 125 mln pz) oraz ryż z klasy jednoliściennych (420-470 mln pz). Genomy te są małe w porównaniu z genomami innych roślin i zawierają stosunkowo niewiele powtarzających się odcinków DNA. Cechy te dawały nadzieję, że wybrane genomy będą dostępne dla stosunkowo szybkiego określenia ich pierwotnej struktury.
Ryż. 3. Arabidopsis – gorczyca mała – niewielka roślina z rodziny krzyżowych ( Brassicaceae). Na powierzchni równej jednej stronie naszego magazynu można wyhodować nawet tysiąc pojedynczych organizmów ArabidopsisPodstawą wyboru Arabidopsis był nie tylko mały rozmiar jego genomu, ale także niewielki rozmiar organizmu, co ułatwia jego hodowlę w warunkach laboratoryjnych (ryc. 3). Uwzględniliśmy jego krótki cykl rozrodczy, dzięki któremu można szybko przeprowadzić eksperymenty krzyżowania i selekcji, szczegółową genetykę, łatwość manipulacji przy zmieniających się warunkach uprawy (zmiana składu soli w glebie, dodawanie różnych składników odżywczych itp.) oraz badanie wpływu na rośliny różnych czynników mutagennych i patogenów (wirusy, bakterie, grzyby). Arabidopsis nie ma wartości ekonomicznej, dlatego jego genom, podobnie jak genom myszy, nazwano genomem referencyjnym lub, mniej dokładnie, genomem modelowym.*
* Pojawienie się w literaturze rosyjskiej terminu „genom modelowy” jest wynikiem niedokładnego tłumaczenia angielskiego wyrażenia model genomu. Słowo „model” oznacza nie tylko przymiotnik „model”, ale także rzeczownik „próbka”, „standard”, „model”. Bardziej poprawne byłoby mówienie o genomie próbnym lub genomie referencyjnym.Intensywne prace nad sekwencjonowaniem genomu Arabidopsis rozpoczęło się w 1996 roku przez międzynarodowe konsorcjum, w skład którego wchodziły instytucje naukowe i grupy badawcze z USA, Japonii, Belgii, Włoch, Wielkiej Brytanii i Niemiec. W grudniu 2000 r. udostępniono obszerne informacje podsumowujące określenie pierwotnej struktury genomu Arabidopsis. Do sekwencjonowania wykorzystaliśmy technologię klasyczną, czyli hierarchiczną: w pierwszej kolejności badano poszczególne małe fragmenty genomu, z których wykonano większe sekcje (kontigi), a w końcowym etapie badano strukturę poszczególnych chromosomów. Jądrowy DNA genomu Arabidopsis jest rozmieszczony w pięciu chromosomach. W 1999 roku opublikowano wyniki sekwencjonowania dwóch chromosomów, a publikacja informacji o strukturze pierwszorzędowej pozostałych trzech zakończyła sekwencjonowanie całego genomu.
Ze 125 milionów par nukleotydów określono pierwotną strukturę 119 milionów, co stanowi 92% całego genomu. Tylko 8% genomu Arabidopsis, zawierającego duże bloki powtarzających się odcinków DNA, okazało się niedostępne do badań. Pod względem kompletności i dokładności sekwencjonowania genomów eukariotycznych Arabidopsis pozostaje w pierwszej trójce mistrzów wraz z jednokomórkowym organizmem drożdżowym Saccharomyces cerevisiae i wielokomórkowy organizm zwierzęcy Elegancja Caenorhabditis(patrz tabela).
W genomie Arabidopsis znaleziono około 15 tysięcy pojedynczych genów kodujących białka. Około 12 tysięcy z nich zawartych jest w dwóch kopiach na haploidalny (pojedynczy) genom, tzw Łączna genów wynosi 27 tysięcy. Liczba genów u Arabidopsis nie różni się zbytnio od liczby genów w organizmach takich jak ludzie i myszy, ale wielkość jego genomu jest 25-30 razy mniejsza. Okoliczność ta wiąże się z istotnymi cechami w strukturze poszczególnych genów Arabidopsis i ogólnej strukturze jego genomu.
Geny Arabidopsis są zwarte i zawierają tylko kilka eksonów (regionów kodujących białka), oddzielonych krótkimi (około 250 pz) niekodującymi odcinkami DNA (intronami). Luki pomiędzy poszczególnymi genami wynoszą średnio 4,6 tys. par nukleotydów. Dla porównania wskazujemy, że ludzkie geny zawierają wiele dziesiątek, a nawet setek eksonów i intronów, a regiony międzygenowe mają rozmiary 10 tysięcy par nukleotydów lub więcej. Uważa się, że obecność małego, zwartego genomu przyczyniła się do stabilności ewolucyjnej Arabidopsis, ponieważ jego DNA stało się mniej celem dla różnych czynników uszkadzających, w szczególności podczas wprowadzania wirusopodobnych powtarzających się fragmentów DNA (transpozonów) do genom.
Inne cechy molekularne genomu Arabidopsis obejmują wzbogacenie eksonów w guaninę i cytozynę (44% w eksonach i 32% w intronach) w porównaniu z genami zwierzęcymi, a także obecność dwukrotnie powtórzonych (zduplikowanych) genów. Uważa się, że podwojenie to nastąpiło w wyniku czterech jednoczesnych zdarzeń, które polegały na podwojeniu (powtórzeniu) części genów Arabidopsis, czyli fuzji spokrewnionych genomów. Wydarzenia te, które miały miejsce 100-200 milionów lat temu, są przejawem ogólnej tendencji do poliploidyzacji (wielokrotnego wzrostu liczby genomów w organizmie), charakterystycznej dla genomów roślin. Jednakże pewne fakty wskazują, że u Arabidopsis zduplikowane geny nie są identyczne i funkcjonują odmiennie, co może wynikać z mutacji w ich regionach regulacyjnych.
Kolejnym obiektem pełnego sekwencjonowania DNA był ryż. Genom tej rośliny jest również niewielki (12 chromosomów, co daje w sumie 420-470 milionów par zasad), tylko 3,5 razy większy niż genom Arabidopsis. Jednak w przeciwieństwie do Arabidopsis ryż ma ogromne znaczenie gospodarcze, będąc podstawą żywienia ponad połowy ludzkości, dlatego nie tylko miliardy konsumentów są żywotnie zainteresowane poprawą jego właściwości, ale także wielomilionowa armia ludzi aktywnie zaangażowanych w bardzo pracochłonny proces jej uprawy.
Niektórzy badacze rozpoczęli badania genomu ryżu już w latach 80. ubiegłego wieku, jednak prace te osiągnęły poważną skalę dopiero w latach 90. W 1991 roku w Japonii powstał program rozszyfrowania struktury genomu ryżu, łącząc wysiłki wielu grup badawczych. W oparciu o ten program w 1997 roku zorganizowano Międzynarodowy Projekt Genomu Ryżu. Jego uczestnicy postanowili skoncentrować swoje wysiłki na sekwencjonowaniu jednego z podgatunków ryżu ( Oriza sativajaponica), w badaniach nad którymi do tego czasu osiągnięto już znaczny postęp. Poważna zachęta i, mówiąc w przenośni, gwiazda przewodnia Do takich prac stworzono program Human Genome.
W ramach tego programu przetestowano strategię „chromosomalnego” hierarchicznego podziału genomu, którą uczestnicy międzynarodowego konsorcjum wykorzystali do rozszyfrowania genomu ryżu. Jeśli jednak podczas badania ludzkiego genomu przy użyciu różne techniki wyizolowano frakcje poszczególnych chromosomów, następnie uzyskano materiał specyficzny dla poszczególnych chromosomów ryżu i ich poszczególnych odcinków metodą mikrodysekcji laserowej (wycinania obiektów mikroskopowych). Na szkiełku mikroskopowym, na którym znajdują się chromosomy ryżu, pod wpływem wiązki lasera wypala się wszystko oprócz chromosomu lub jego odcinków przeznaczonych do analizy. Pozostały materiał wykorzystuje się do klonowania i sekwencjonowania.
Opublikowano wiele doniesień na temat wyników sekwencjonowania poszczególnych fragmentów genomu ryżu, przeprowadzonych z dużą dokładnością i szczegółowością charakterystyczną dla technologii hierarchicznej. Uważano, że określenie pełnej struktury pierwotnej genomu ryżu zostanie zakończone do końca 2003 r. – połowy 2004 r., a wyniki wraz z danymi dotyczącymi struktury pierwotnej genomu Arabidopsis będą szeroko stosowane w genomice porównawczej innych roślin.
Jednakże na początku 2002 roku dwie grupy badawcze – jedna z Chin, druga ze Szwajcarii i Stanów Zjednoczonych – opublikowały wyniki pełnego, zgrubnego (zgrubnego) sekwencjonowania genomu ryżu, przeprowadzonego przy użyciu technologii całkowitego klonowania. W odróżnieniu od badania etapowego (hierarchicznego), podejście totalne polega na jednoczesnym klonowaniu całego genomowego DNA do jednego z wektorów wirusowych lub bakteryjnych i uzyskaniu znaczącej (ogromnej dla średnich i dużych genomów) liczby pojedyncze klony zawierające różne segmenty DNA. Na podstawie analizy tych zsekwencjonowanych odcinków i nakładania się identycznych końcowych odcinków DNA, tworzy się kontig – łańcuch połączonych ze sobą sekwencji DNA. Ogólny (całkowity) kontig reprezentuje pierwotną strukturę całego genomu lub przynajmniej pojedynczego chromosomu.
W tak schematycznym przedstawieniu strategia całkowitego klonowania wydaje się nieskomplikowana. W rzeczywistości napotyka poważne trudności związane z koniecznością uzyskania ogromnej liczby klonów (powszechnie przyjmuje się, że badany genom lub jego region musi być pokrywany przez klony co najmniej 10 razy), gigantyczną objętością sekwencjonowania i niezwykle skomplikowana praca polegająca na łączeniu klonów, która wymaga udziału specjalistów bioinformatyki. Poważną przeszkodą w całkowitym klonowaniu jest różnorodność powtarzających się regionów DNA, których liczba, jak już wspomniano, gwałtownie rośnie wraz ze wzrostem rozmiaru genomu. Dlatego strategię całkowitego sekwencjonowania stosuje się przede wszystkim w badaniu genomów wirusów i mikroorganizmów, chociaż z powodzeniem została zastosowana do badania genomu organizmu wielokomórkowego Drosophila.
Wyniki całkowitego sekwencjonowania tego genomu „nałożono” na ogromny zbiór informacji o jego strukturze chromosomalnej, genowej i molekularnej, uzyskanych w ciągu prawie 100-letniego okresu badań Drosophila. A jednak pod względem stopnia sekwencjonowania genom Drosophila (66% całkowitej wielkości genomu) jest znacznie gorszy od genomu Arabidopsis (92%), pomimo ich dość podobnych rozmiarów - odpowiednio 180 milionów i 125 milionów par nukleotydów . Dlatego ostatnio zaproponowano nazwanie technologii stosowanej do sekwencjonowania genomu Drosophila mieszaną.
Do sekwencjonowania genomu ryżu wyżej wymienione grupy badawcze wykorzystały dwa jego podgatunki, najpowszechniej uprawiane w krajach azjatyckich - Oriza ślina L. ssp indicaj I Oriza ślina L. sspjaponica. Wyniki ich badań są zbieżne pod wieloma względami, ale także pod wieloma względami różnią się. Zatem przedstawiciele obu grup stwierdzili, że osiągnęli ciągłe nakładanie się na około 92-93% genomu. Wykazano, że około 42% genomu ryżu reprezentowane jest przez krótkie powtórzenia DNA składające się z 20 par nukleotydów, a większość ruchomych elementów DNA (transpozonów) zlokalizowana jest w regionach międzygenowych. Jednak informacje na temat wielkości genomu ryżu znacznie się różnią.
Dla podgatunku japońskiego wielkość genomu określa się na 466 milionów par nukleotydów, a dla podgatunku indyjskiego na 420 milionów. Przyczyna tej rozbieżności nie jest jasna. Może to być konsekwencją odmiennego podejścia metodologicznego do określania wielkości niekodującej części genomu, czyli może nie odzwierciedlać prawdziwego stanu rzeczy. Możliwe jednak, że rzeczywiście istnieje 15% różnica w wielkości badanych genomów.
Drugą poważną rozbieżność stwierdzono w liczbie wykrytych genów: dla podgatunku japońskiego – od 46 022 do 55 615 genów na genom, a dla podgatunku indyjskiego – od 32 000 do 50 000. Przyczyna tej rozbieżności nie jest jasna.
W komentarzach do opublikowanych artykułów zwrócono uwagę na niekompletność i niespójność otrzymanych informacji. Istnieje także nadzieja, że luki w wiedzy na temat genomu ryżu zostaną wyeliminowane poprzez porównanie danych pochodzących z „zgrubnego sekwencjonowania” z wynikami szczegółowego, hierarchicznego sekwencjonowania przeprowadzonego przez uczestników Międzynarodowego Projektu Genomu Ryżu.
GENOMIA PORÓWNAWCZA I FUNKCJONALNA ROŚLIN
Uzyskane obszerne dane, z których połowa (wyniki grupy chińskiej) są publicznie dostępne, niewątpliwie otwierają szerokie perspektywy zarówno w badaniu genomu ryżu, jak i w ogóle genomiki roślin. Wykazało to porównanie właściwości genomu Arabidopsis i ryżu większość geny (do 80%) zidentyfikowane w genomie Arabidopsis znaleziono również w genomie ryżu, ale w przypadku około połowy genów występujących w ryżu nie znaleziono jeszcze analogów (ortologów) w genomie Arabidopsis. Jednocześnie w genomie ryżu zidentyfikowano 98% genów, których pierwotna struktura została ustalona dla innych zbóż.
Zastanawiająca jest znacząca (prawie dwukrotna) rozbieżność w liczbie genów u ryżu i Arabidopsis. Jednocześnie danych z przybliżonego transkryptu genomu ryżu, uzyskanych metodą całkowitego sekwencjonowania, praktycznie nie porównuje się z obszernymi wynikami badania genomu ryżu metodą hierarchicznego klonowania i sekwencjonowania, czyli tym, co zostało zrobione dla genomu Drosophila nie została osiągnięta. Dlatego nie jest jasne, czy różnica w liczbie genów u Arabidopsis i ryżu odzwierciedla prawdziwy stan rzeczy, czy też można ją wytłumaczyć różnicami w podejściu metodologicznym.
W przeciwieństwie do genomu Arabidopsis, nie podano informacji o bliźniaczych genach w genomie ryżu. Możliwe, że ich względna liczebność może być większa w ryżu niż w Arabidopsis. Możliwość tę potwierdzają pośrednio dane dotyczące występowania form poliploidalnych ryżu. Większej jasności w tej kwestii można spodziewać się po zakończeniu Międzynarodowego Projektu Genomu Ryżu i uzyskaniu szczegółowego obrazu pierwotnej struktury DNA tego genomu. Poważne podstawy do takich nadziei daje fakt, że po opublikowaniu prac na temat przybliżonego sekwencjonowania genomu ryżu gwałtownie wzrosła liczba publikacji na temat struktury tego genomu, w szczególności pojawiły się informacje na temat szczegółowego sekwencjonowania jego chromosomów 1 i 4.
Znajomość, przynajmniej w przybliżeniu, liczby genów w roślinach ma fundamentalne znaczenie dla genomiki porównawczej roślin. Początkowo sądzono, że ponieważ zgodnie z ich cechami fenotypowymi, wszystko rośliny kwitnące są bardzo blisko siebie i ich genomy powinny być równie blisko siebie. A jeśli zbadamy genom Arabidopsis, uzyskamy informacje o większości genomów innych roślin. Pośredniego potwierdzenia tego założenia dostarczają wyniki sekwencjonowania genomu myszy, który jest zaskakująco bliski genomowi człowieka (około 30 tys. genów, z czego tylko 1 tys. okazało się odmiennych).
Można przypuszczać, że przyczyną różnic w genomach Arabidopsis i ryżu jest ich przynależność do różnych klas roślin – dwuliściennych i jednoliściennych. Aby wyjaśnić tę kwestię, niezwykle pożądane jest poznanie przynajmniej przybliżonej struktury pierwotnej innej rośliny jednoliściennej. Najbardziej realistycznym kandydatem może być kukurydza, której genom jest w przybliżeniu równy genomowi człowieka, ale wciąż znacznie mniejszy niż genomy innych zbóż. Wartość odżywcza kukurydzy jest powszechnie znana.
Ogromny materiał uzyskany w wyniku sekwencjonowania genomów Arabidopsis i ryżu staje się stopniowo podstawą do zakrojonych na szeroką skalę badań genomów roślin z wykorzystaniem metod genomiki porównawczej. Badania takie mają ogólne znaczenie biologiczne, ponieważ pozwalają ustalić główne zasady organizacji genomu rośliny jako całości i jej poszczególnych chromosomów, zidentyfikować wspólne cechy struktury genów i ich regionów regulacyjnych oraz rozważyć związek między funkcjonalnie aktywną (genową) częścią chromosomu a różnymi niekodującymi białka międzygenowymi regionami DNA. Genetyka porównawcza staje się coraz ważniejsza dla rozwoju genomika funkcjonalna osoba. Do badań porównawczych zsekwencjonowano genomy rozdymkowatych ryb i myszy.
Nie mniej istotne jest badanie poszczególnych genów odpowiedzialnych za syntezę poszczególnych białek warunkujących określone funkcje organizmu. Praktyczne, przede wszystkim medyczne, znaczenie programu ludzkiego genomu leży w wykrywaniu, izolacji, sekwencjonowaniu i ustalaniu funkcji poszczególnych genów. Na tę okoliczność kilka lat temu zwrócił uwagę J. Watson, który podkreślał, że program poznania ludzkiego genomu zostanie zrealizowany dopiero wtedy, gdy zostaną określone funkcje wszystkich genów człowieka.
Ryż. 4. Klasyfikacja według funkcji genów Arabidopsis
1 - geny wzrostu, podziału i syntezy DNA; 2 - geny syntezy RNA (transkrypcja); 3 - geny syntezy i modyfikacji białek; 4 - geny rozwoju, starzenia się i śmierci komórek; 5 - geny metabolizmu komórkowego i metabolizmu energetycznego; 6 - geny interakcji międzykomórkowych i transmisji sygnału; 7 - geny wspierające inne procesy komórkowe; 8 - geny o nieznanej funkcjiJeśli chodzi o funkcję genów roślinnych, wiemy mniej niż jedną dziesiątą tego, co wiemy o genach ludzkich. Nawet u Arabidopsis, którego genom jest znacznie lepiej zbadany niż genom ludzki, funkcja prawie połowy jego genów pozostaje nieznana (ryc. 4). Tymczasem rośliny, oprócz genów wspólnych zwierzętom, posiadają znaczną liczbę genów specyficznych tylko (lub przynajmniej w przeważającej mierze) dla nich. Mówimy o genach biorących udział w transporcie wody i syntezie ścian komórkowych, których u zwierząt nie ma, o genach zapewniających powstawanie i funkcjonowanie chloroplastów, fotosyntezę, wiązanie azotu i syntezę licznych produktów aromatycznych. Tę listę można kontynuować, ale już teraz wiadomo, jak trudne zadanie stoi przed genomiką funkcjonalną roślin.
Pełne sekwencjonowanie genomu dostarcza bliskiej prawdziwej informacji o całkowitej liczbie genów danego organizmu, pozwala na umieszczenie w bankach danych mniej lub bardziej szczegółowych i wiarygodnych informacji o ich strukturze oraz ułatwia pracę polegającą na izolowaniu i badaniu poszczególnych genów. Jednak sekwencjonowanie genomu nie oznacza ustalenia funkcji wszystkich genów.
Jedno z najbardziej obiecujących podejść do genomiki funkcjonalnej opiera się na identyfikacji działających genów, na których zachodzi transkrypcja (odczyt) mRNA. Takie podejście, w tym przy użyciu nowoczesna technologia mikromacierze, pozwala na jednoczesną identyfikację nawet kilkudziesięciu tysięcy funkcjonujących genów. Niedawno, stosując to podejście, rozpoczęto badanie genomów roślin. W przypadku Arabidopsis udało się uzyskać około 26 tysięcy pojedynczych transkryptów, co znacznie ułatwia określenie funkcji niemal wszystkich jego genów. W ziemniakach udało się zidentyfikować około 20 000 tysięcy działających genów, które są ważne dla zrozumienia zarówno procesów wzrostu i tworzenia bulw, jak i procesów chorobowych ziemniaka. Oczekuje się, że wiedza ta pozwoli na poprawę odporności jednego z najważniejszych produktów spożywczych na patogeny.
Logicznym rozwinięciem genomiki funkcjonalnej jest proteomika. Ta nowa dziedzina nauki zajmuje się badaniem proteomu, który zazwyczaj odnosi się do pełnego zestawu białek występujących w komórce w danym czasie. Ten zestaw białek, odzwierciedlający stan funkcjonalny genomu, ulega ciągłym zmianom, podczas gdy genom pozostaje niezmieniony.
Badanie białek od dawna wykorzystuje się do oceny aktywności genomów roślinnych. Jak wiadomo, enzymy występujące we wszystkich roślinach różnią się sekwencją aminokwasów u poszczególnych gatunków i odmian. Enzymy takie, pełniące tę samą funkcję, ale różne sekwencje poszczególnych aminokwasów, nazywane są izoenzymami. Mają różne właściwości fizykochemiczne i immunologiczne (masa cząsteczkowa, ładunek), które można wykryć za pomocą chromatografii lub elektroforezy. Metody te od wielu lat z powodzeniem stosowane są do badania tzw. polimorfizmu genetycznego, czyli różnic pomiędzy organizmami, odmianami, populacjami, gatunkami, zwłaszcza pszenicą i pokrewnymi formami zbóż. Jednak w Ostatnio W związku z szybkim rozwojem metod analizy DNA, w tym sekwencjonowania, badanie polimorfizmu białek zostało zastąpione badaniem polimorfizmu DNA. Jednakże bezpośrednie badanie widm białek zapasowych (prolamin, gliadyny itp.), które określają podstawowe właściwości odżywcze zbóż, pozostaje ważną i wiarygodną metodą analizy genetycznej, selekcji i nasiennictwa roślin rolniczych.
Znajomość genów, mechanizmów ich ekspresji i regulacji jest niezwykle istotna dla rozwoju biotechnologii i produkcji roślin transgenicznych. Wiadomo, że imponujące sukcesy w tej dziedzinie wywołują mieszane reakcje środowiska ekologicznego i medycznego. Istnieje jednak obszar biotechnologii roślin, w którym obawy te, jeśli nie całkowicie bezpodstawne, to w każdym razie wydają się nieistotne. Mówimy o tworzeniu transgenicznych roślin przemysłowych, które nie są wykorzystywane jako produkty spożywcze. Indie zebrały niedawno pierwszy zbiór transgenicznej bawełny odpornej na wiele chorób. Istnieją informacje o wprowadzeniu do genomu bawełny specjalnych genów kodujących białka pigmentowe i produkcji włókien bawełnianych niewymagających sztucznego barwienia. Kolejną rośliną przemysłową, która może zostać poddana skutecznej inżynierii genetycznej, jest len. Ostatnio dyskutuje się o jej zastosowaniu jako alternatywy dla bawełny w surowcach tekstylnych. Problem ten jest niezwykle istotny dla naszego kraju, który utracił własne źródła surowców bawełnianych.
PERSPEKTYWY BADANIA GENOMÓW ROŚLINNYCH
Jest oczywiste, że badania strukturalne genomów roślin będą opierać się na podejściach i metodach genomiki porównawczej, wykorzystując jako główny materiał wyniki rozszyfrowania genomów Arabidopsis i ryżu. Istotną rolę w rozwoju porównawczej genomiki roślin odegrają niewątpliwie informacje, które prędzej czy później dostarczy całkowite (zgrubne) sekwencjonowanie genomów innych roślin. W tym przypadku porównawcza genomika roślin będzie opierać się na ustaleniu powiązań genetycznych pomiędzy poszczególnymi loci i chromosomami należącymi do różnych genomów. Będziemy mówić nie tyle o ogólnej genomice roślin, ile o selektywnej genomice poszczególnych loci chromosomowych. Zatem niedawno wykazano, że gen odpowiedzialny za wernalizację znajduje się w locus VRn-AI chromosomu 5A pszenicy heksaploidalnej i locus Hd-6 chromosomu 3 ryżu.
Rozwój tych badań będzie potężnym impulsem do identyfikacji, izolacji i sekwencjonowania wielu funkcjonalnie ważnych genów roślin, w szczególności genów odpowiedzialnych za odporność na choroby, odporność na suszę i zdolność przystosowania się do różnych warunków uprawy. Coraz częściej stosowana będzie genomika funkcjonalna, oparta na masowej identyfikacji (przesiewie) genów funkcjonujących w roślinach.
Możemy przewidzieć dalsze udoskonalenia technologii chromosomowych, przede wszystkim metody mikrodysekcji. Jego zastosowanie radykalnie rozszerza możliwości badań genomicznych bez konieczności ponoszenia ogromnych kosztów, takich jak całkowite sekwencjonowanie genomu. Coraz powszechniejsza będzie metoda lokalizacji poszczególnych genów na chromosomach roślinnych za pomocą hybrydyzacji. na miejscu. Obecnie jego zastosowanie jest ograniczone ogromną liczbą powtarzających się sekwencji w genomie rośliny i prawdopodobnie osobliwościami organizacji strukturalnej chromosomów roślinnych.
W dającej się przewidzieć przyszłości technologie chromosomowe nabiorą również ogromnego znaczenia dla genomiki ewolucyjnej roślin. Technologie te, stosunkowo niedrogie, pozwalają na szybką ocenę zmienności wewnątrzgatunkowej i międzygatunkowej oraz badanie złożonych genomów allopoliploidalnych pszenicy i pszenżyta tetraploidalnego i heksaploidalnego; analizować procesy ewolucyjne na poziomie chromosomów; badać powstawanie syntetycznych genomów i wprowadzanie (introgresję) obcego materiału genetycznego; identyfikować powiązania genetyczne pomiędzy poszczególnymi chromosomami różnych gatunków.
Do charakterystyki genomu wykorzystane zostanie badanie kariotypu roślin klasycznymi metodami cytogenetycznymi, wzbogacone analizą biologii molekularnej i technologiami komputerowymi. Jest to szczególnie ważne przy badaniu stabilności i zmienności kariotypu nie tylko na poziomie poszczególnych organizmów, ale także populacji, odmian i gatunków. Wreszcie, trudno sobie wyobrazić, jak można oszacować liczbę i widma rearanżacji chromosomów (aberracje, mostki) bez zastosowania metod barwienia różnicowego. Badania takie są niezwykle obiecujące dla monitorowania środowiska na podstawie stanu genomu rośliny.
W współczesna Rosja Bezpośrednie sekwencjonowanie genomów roślin jest mało prawdopodobne. Taka praca, wymagająca dużych inwestycji, jest nie do utrzymania dla naszej obecnej gospodarki. Tymczasem informacje o strukturze genomów Arabidopsis i ryżu, uzyskane przez naukę światową i dostępne w międzynarodowych bankach danych, są wystarczające do opracowania genomiki roślin krajowych. Można przewidywać rozwój badań nad genomami roślin w oparciu o podejścia genomiki porównawczej w celu rozwiązywania specyficznych problemów hodowli i produkcji roślinnej, a także badania pochodzenia różnych gatunków roślin o znaczeniu gospodarczym.
Można przypuszczać, że w krajowej praktyce hodowlanej i uprawie roślin szeroko stosowane będą podejścia genomiczne, takie jak typowanie genetyczne (analizy RELF, RAPD, AFLP itp.), które są w miarę przystępne dla naszego budżetu. Równolegle do bezpośrednich metod oznaczania polimorfizmu DNA, do rozwiązywania problemów genetyki i hodowli roślin, będą stosowane podejścia oparte na badaniu polimorfizmu białek, przede wszystkim białek spichrzowych zbóż. Technologie chromosomowe będą szeroko stosowane. Są stosunkowo niedrogie, a ich rozwój wymaga dość umiarkowanych inwestycji. W dziedzinie badań chromosomów nauka krajowa nie ustępuje światu.
Należy podkreślić, że nasza nauka wniosła znaczący wkład w powstanie i rozwój genomiki roślin [,].
Zasadniczą rolę odegrał N.I. Wawiłow (1887-1943).
W biologii molekularnej i genomice roślin pionierski wkład A.N. jest oczywisty. Biełozerskiego (1905-1972).
W dziedzinie badań chromosomów należy zwrócić uwagę na pracę wybitnego genetyka S.G. Navashin (1857-1930), który jako pierwszy odkrył chromosomy satelitarne u roślin i udowodnił, że możliwe jest rozróżnienie poszczególnych chromosomów na podstawie cech ich morfologii.
Kolejny klasyk rosyjskiej nauki G.A. Levitsky (1878-1942) szczegółowo opisał chromosomy żyta, pszenicy, jęczmienia, grochu i buraków cukrowych, wprowadził do nauki termin „kariotyp” i rozwinął jego doktrynę.
Współcześni specjaliści, opierając się na osiągnięciach nauki światowej, mogą wnieść znaczący wkład w dalszy rozwój genetyki i genomiki roślin.
Autor wyraża serdeczną wdzięczność akademikowi Yu.P. Altukhovowi za krytyczną dyskusję na temat artykułu i cenne rady.Prace zespołu kierowanego przez autora artykułu były wspierane przez Rosyjską Fundację Badań Podstawowych (granty nr 99-04-48832; 00-04-49036; 00-04-81086), Program Prezydenta RP im. Federacji Rosyjskiej na wsparcie szkół naukowych (granty nr 00-115 -97833 i NSh-1794.2003.4) i Programy Akademia Rosyjska Nauki „Molekularne markery genetyczne i chromosomalne w rozwoju nowoczesnych metod selekcji i produkcji nasion”.
LITERATURA
1. Zelenin A.V., Badaeva E.D., Muravenko O.V. Wprowadzenie do genomiki roślin // Biologia molekularna. 2001. T. 35. s. 339-348. 2. Pióro E. Bonanza dla genomiki roślin // Nauka. 1998. V. 282. S. 652-654. 3. Genomika roślin // Proc. Natl. Acad. Nauka. USA. 1998. V. 95. S. 1962-2032. 4. Kartel N.A. itd. Genetyka. Słownik encyklopedyczny. Mińsk: Technologia, 1999. 5. Badaeva ED, Friebe B., Gill B.S. 1996. Różnicowanie genomu u Aegilopsa. 1. Rozmieszczenie wysoce powtarzalnych sekwencji DNA na chromosomach gatunków diploidalnych // Genom. 1996. V. 39. S. 293-306. Historia analizy chromosomów // Biol. membrany. 2001. T. 18. s. 164-172.
Skaczące geny
W połowie ubiegłego wieku amerykańska badaczka Barbara McClintock odkryła w kukurydzy niesamowite geny, które potrafią samodzielnie zmieniać swoją pozycję na chromosomach. Teraz nazywa się je „skaczącymi genami” lub elementami transpozycyjnymi (mobilnymi). Odkrycie długo nie zostało docenione, uznając elementy ruchome za zjawisko unikalne, charakterystyczne tylko dla kukurydzy. Jednak to właśnie za to odkrycie McClintock otrzymał w 1983 roku Nagrodę Nobla – dziś geny skoków wykryto u niemal wszystkich badanych gatunków zwierząt i roślin.
Skąd się wzięły skaczące geny, jaką funkcję pełnią w komórce, czy są przydatne? Dlaczego rodzina muszek owocowych Drosophila, mając genetycznie zdrowych rodziców, może dzięki skaczącym genom produkować zmutowane potomstwo z dużą częstotliwością lub nawet być bezdzietna? Jaka jest rola przeskakujących genów w ewolucji?
Trzeba powiedzieć, że geny zapewniające funkcjonowanie komórek znajdują się na chromosomach w określonej kolejności. Dzięki temu możliwe było skonstruowanie tzw. map genetycznych dla wielu gatunków organizmów jednokomórkowych i wielokomórkowych. Jednakże pomiędzy genami znajduje się o rząd wielkości więcej materiału genetycznego niż w nich! Nie do końca ustalono, jaką rolę odgrywa ta „balastowa” część DNA, ale to właśnie tutaj najczęściej spotykane są elementy mobilne, które nie tylko same się poruszają, ale mogą także zabierać ze sobą sąsiednie fragmenty DNA.
Skąd się biorą geny skoków? Zakłada się, że przynajmniej część z nich pochodzi od wirusów, ponieważ niektóre ruchome elementy są zdolne do tworzenia cząstek wirusowych (na przykład ruchomy element cygański u muszki owocowej muszka owocowa). Niektóre elementy mobilne pojawiają się w genomie poprzez tzw transfer poziomy od innych gatunków. Ustalono na przykład, że jest to telefon komórkowy włóczęga-element (w tłumaczeniu na rosyjski nazywany włóczęgą) muszka owocowa wielokrotnie ponownie wprowadzane do genomu tego gatunku. Istnieje wersja, że niektóre regulacyjne odcinki DNA mogą również posiadać autonomię i tendencję do „włóczęgi”.
Przydatny balast
Natomiast większość genów skaczących, wbrew nazwie, zachowuje się spokojnie, choć stanowią jedną piątą całego materiału genetycznego muszka owocowa lub prawie połowa ludzkiego genomu.
Wspomniana powyżej redundancja DNA ma swoją zaletę: balastowy DNA (w tym pasywne elementy ruchome) ucierpi, jeśli do genomu zostanie wprowadzone obce DNA. Prawdopodobieństwo, że nowy element zostanie zintegrowany z użytecznym genem i w ten sposób zakłóci jego funkcję, jest zmniejszone, jeśli DNA balastowego jest znacznie większe niż DNA znaczącego.
Pewna redundancja DNA jest przydatna w taki sam sposób, jak „redundancja” liter w słowach: piszemy „Maria Iwanowna”, ale mówimy „Marivan”. Niektóre litery są nieuchronnie tracone, ale znaczenie pozostaje. Ta sama zasada działa na poziomie istotności poszczególnych aminokwasów w cząsteczce białka-enzymu: ściśle zachowana jest jedynie sekwencja aminokwasów tworzących centrum aktywne. Zatem dalej różne poziomy redundancja okazuje się rodzajem bufora, który zapewnia rezerwę mocy systemu. W ten sposób elementy mobilne, które utraciły mobilność, okazują się nieprzydatne dla genomu. Jak mówią: „od cienkiej owcy przynajmniej kępka wełny”, choć być może lepiej pasowałoby tu inne przysłowie - „każdy łyk w szeregu”.
Elementy mobilne, które zachowały zdolność do skakania, poruszają się wzdłuż chromosomów Drosophila z częstotliwością 10–2–10–5 na gen na pokolenie, w zależności od rodzaju elementu, tła genetycznego i warunków zewnętrznych. Oznacza to, że jeden na sto skaczących genów w komórce może zmienić swoje położenie po kolejnym podziale komórki. W rezultacie po kilku pokoleniach rozmieszczenie elementów ruchomych wzdłuż chromosomu może się bardzo znacząco zmienić.
Wygodne jest badanie tego rozkładu na polietylenowych (wielowniciowych) chromosomach z gruczołów ślinowych larw Drosophila. Chromosomy te są wielokrotnie grubsze niż zwykle, co znacznie ułatwia ich badanie pod mikroskopem. Jak uzyskuje się takie chromosomy? W komórkach gruczołów ślinowych DNA każdego chromosomu ulega zwielokrotnieniu, tak jak podczas normalnego podziału komórki, ale sama komórka nie dzieli się. W rezultacie liczba komórek w gruczole się nie zmienia, ale w ciągu 10-11 cykli w każdym chromosomie gromadzi się kilka tysięcy identycznych nici DNA.
Częściowo dzięki chromosomom polietylenowym geny skaczące u Drosophila są lepiej zbadane niż u innych organizmów wielokomórkowych. W wyniku tych badań okazało się, że nawet w obrębie tej samej populacji Drosophila trudno jest znaleźć dwa osobniki posiadające chromosomy o takim samym rozkładzie elementów transpozycyjnych. To nie przypadek, że uważa się, że większość spontanicznych mutacji u Drosophila jest spowodowana ruchem tych „skoczków”.
Konsekwencje mogą być różne...
Ze względu na wpływ na genom aktywne elementy mobilne można podzielić na kilka grup. Część z nich pełni funkcje niezwykle ważne i przydatne dla genomu. Na przykład, telomerowy DNA znajdujące się na końcach chromosomów u Drosophila składa się ze specjalnych ruchomych elementów. To DNA jest niezwykle ważne – jego utrata wiąże się z utratą całego chromosomu podczas podziału komórki, co prowadzi do śmierci komórki.
Inne elementy mobilne to wręcz „szkodniki”. Przynajmniej tak się obecnie uważa. Na przykład ruchome elementy klasy R2 można specyficznie włączyć do genów stawonogów kodujących jedno z białek rybosomalnych, komórkowych „fabryk” syntezy białek. Osoby z takimi zaburzeniami przeżywają tylko dlatego, że tylko część z wielu genów kodujących te białka jest uszkodzona w genomie.
Istnieją również elementy ruchome, które poruszają się wyłącznie w tkankach rozrodczych wytwarzających komórki rozrodcze. Wyjaśnia to fakt, że w różnych tkankach ten sam ruchomy element może wytwarzać cząsteczki białka enzymatycznego niezbędne do ruchu, różniące się długością i funkcją.
Przykładem tego ostatniego jest element P muszka owocowa, który przedostał się do jego naturalnych populacji w drodze poziomego przeniesienia z innego gatunku Drosophila nie więcej niż sto lat temu. Jednakże obecnie na Ziemi nie ma prawie żadnej populacji muszka owocowa, w którym nie znalazłby się element P. Należy zaznaczyć, że większość jego egzemplarzy jest wadliwa, ponadto niemal wszędzie stwierdzono tę samą wersję wady. Rola tego ostatniego w genomie jest wyjątkowa: jest „nietolerancyjny” wobec swoich towarzyszy i pełni rolę represora, blokując ich ruch. Zatem ochrona genomu Drosophila przed skokami „obcego” może być częściowo realizowana przez jego własne pochodne.
Najważniejsze jest, aby wybrać odpowiednich rodziców!
Większość skoków elementów ruchomych nie ma wpływu wygląd Drosophila, ponieważ stanowi balast DNA, ale są też inne sytuacje, gdy ich aktywność gwałtownie wzrasta.
Co zaskakujące, najsilniejszym czynnikiem wywołującym ruch genów skokowych jest zła selekcja rodzicielska. Na przykład, co się stanie, jeśli skrzyżujesz samice z populacji laboratoryjnej? muszka owocowa, które nie mają pierwiastka P (ponieważ ich przodkowie zostali wyłapani z natury około stu lat temu), z samcami, łożysko elementu P? U hybryd, ze względu na szybki ruch elementu mobilnego, może pojawić się duża liczba różnych zaburzeń genetycznych. Zjawisko to, zwane dysgenezją hybrydową, spowodowane jest faktem, że w cytoplazmie matki nie ma represora, który uniemożliwiałby ruch elementu transpozycyjnego.
Zatem jeśli panowie młodzi z populacji A i panny młode z populacji B mogą tworzyć duże rodziny, to nie zawsze jest odwrotnie. Rodzina genetycznie zdrowych rodziców może spłodzić dużą liczbę zmutowanych lub bezpłodnych potomstwa, a nawet być bezdzietna, jeśli ojciec i matka mają inny zestaw ruchomych elementów w swoim genomie. Szczególnie wiele naruszeń pojawia się, jeśli eksperyment przeprowadza się w temperaturze 29 ° C. Wpływ czynników zewnętrznych, nałożonych na podłoże genetyczne, potęguje efekt niedopasowania genomu, choć same te czynniki (nawet promieniowanie jonizujące) same w sobie nie są w stanie wywołać tak masowych ruchów elementów ruchomych.
Podobne wydarzenia w muszka owocowa może nastąpić przy udziale innych rodzin elementów ruchomych.
Ewolucja „mobilna”.
Genom komórkowy można uznać za rodzaj ekosystemu stałych i tymczasowych członków, w którym sąsiedzi nie tylko współistnieją, ale także wchodzą ze sobą w interakcje. Oddziaływanie genów gospodarza z elementami ruchomymi jest wciąż słabo poznane, ale można podać wiele wyników – od śmierci organizmu w przypadku uszkodzenia ważnego genu po przywrócenie wcześniej uszkodzonych funkcji.
Zdarza się, że same skaczące geny oddziałują ze sobą. Znane jest zatem zjawisko przypominające odporność, gdy element ruchomy nie może przeniknąć w bliskiej odległości od już istniejącego. Jednak nie wszystkie elementy mobilne są tak delikatne: na przykład elementy P mogą z łatwością przenikać się nawzajem i wykluczać innych graczy z gry.
Ponadto istnieje rodzaj samoregulacji liczby ruchomych elementów genomu. Faktem jest, że elementy mobilne mogą wymieniać między sobą regiony homologiczne – proces ten nazywa się rekombinacja. W wyniku takiej interakcji elementy mobilne mogą, w zależności od swojej orientacji, utracić ( usunięcie) lub rozwiń ( inwersja) fragmenty DNA gospodarza znajdujące się pomiędzy nimi. Jeśli utracona zostanie znacząca część chromosomu, genom umrze. W przypadku inwersji lub niewielkiej delecji powstaje różnorodność chromosomów, co uważa się za warunek konieczny ewolucji.
Jeżeli pomiędzy elementami mobilnymi zlokalizowanymi na różnych chromosomach dochodzi do rekombinacji, w efekcie powstają rearanżacje chromosomowe, które podczas kolejnych podziałów komórkowych mogą prowadzić do zaburzenia równowagi genomu. A niezrównoważony genom, podobnie jak niezrównoważony budżet, jest bardzo słabo podzielony. Zatem śmierć nieudanych genomów jest jednym z powodów, dla których aktywne elementy mobilne nie wypełniają chromosomów w nieskończoność.
Naturalnie pojawia się pytanie: jak znaczący jest wkład elementów ruchomych w ewolucję? Po pierwsze, większość elementów ruchomych jest wprowadzana, z grubsza, tam, gdzie jest to potrzebne, w wyniku czego mogą uszkodzić lub zmienić strukturę lub regulację genu, do którego zostaną wprowadzone. Następnie dobór naturalny odrzuca nieudane opcje i ustalane są udane opcje o właściwościach adaptacyjnych.
Jeśli skutki wprowadzenia elementu mobilnego okażą się neutralne, wówczas wariant ten może utrzymać się w populacji, zapewniając pewne zróżnicowanie w strukturze genu. Może się to przydać w niesprzyjających warunkach. Teoretycznie przy masowym przemieszczaniu się elementów mobilnych mutacje mogą pojawić się w wielu genach jednocześnie, co może być bardzo przydatne w przypadku gwałtownej zmiany warunków życia.
Podsumowując: w genomie jest wiele elementów mobilnych i są one różne; mogą oddziaływać zarówno między sobą, jak i z genami gospodarza; może zaszkodzić i być niezastąpiony. Niestabilność genomu spowodowana ruchem ruchomych elementów może zakończyć się tragedią dla jednostki, ale zdolność do szybkiej zmiany – warunek konieczny przetrwanie populacji lub gatunku. Dzięki temu powstaje różnorodność, która jest podstawą doboru naturalnego i późniejszych przemian ewolucyjnych.
Można przeprowadzić analogię pomiędzy skaczącymi genami a imigrantami: niektórzy imigranci lub ich potomkowie stają się równymi obywatelami, inni otrzymują pozwolenia na pobyt, a jeszcze inni – nie przestrzegający prawa – są deportowani lub więzieni. A masowe migracje ludzi mogą szybko zmienić samo państwo.
Literatura
Ratner V. A., Vasilyeva L. A. Indukcja transpozycji ruchomych elementów genetycznych pod wpływem stresu. Oprawa rosyjska. 2000.
Gvozdev V. A. Mobilne DNA eukariontów // Czasopismo edukacyjne Sorosa. 1998. Nr 8.
Jest to pasożyt pandemiczny, który zakaża 70% bezkręgowców na całym świecie i ewoluuje wraz z nimi. Najczęściej pasożyt zaraża owady, przenikając do ich jaj i plemników i przekazując je potomstwu. Fakt ten doprowadził naukowców do założenia, że wszelkie powstałe zmiany genetyczne są przekazywane z pokolenia na pokolenie.
Odkrycie to, dokonane przez naukowców pod przewodnictwem Jacka Werrena, wskazuje, że horyzontalny (międzygatunkowy) transfer genów pomiędzy bakteriami a organizmami wielokomórkowymi zachodzi częściej, niż się powszechnie uważa, i pozostawia pewien ślad w procesie ewolucji. DNA bakteryjne może stanowić pełną część genomu organizmu, a nawet odpowiadać za kształtowanie pewnych cech – przynajmniej u bezkręgowców.
Prawdopodobieństwo, że tak duży fragment DNA będzie całkowicie neutralny, jest minimalne, a eksperci uważają, że zawarte w nim geny zapewniają owadom pewne zalety selekcyjne. Autorzy pracują obecnie nad zidentyfikowaniem tych korzyści. Biolodzy ewolucyjni powinni zwrócić szczególną uwagę na to odkrycie.