¿Cómo se formó el genoma humano?
En el Proyecto Genoma Humano, las comunidades biológicas y médicas de todo el mundo están estudiando la secuencia de genes de cromatina eucariotas en el genoma humano. Se ha descubierto que el número de genes humanos es menor de lo que se esperaba inicialmente y que los exones, las secuencias codificantes que pueden producir proteínas, sólo representan el 1,5% de la longitud total.
Los genetistas modernos creen que un gen es un término general para una secuencia de nucleótidos específica que tiene un efecto genético en las moléculas de ADN (ácido desoxirribonucleico). Es un fragmento de molécula de ADN que tiene un efecto genético. Los genes están ubicados en los cromosomas y están dispuestos linealmente en los cromosomas. Los genes no sólo transmiten información genética a la siguiente generación mediante la replicación, sino que también expresan información genética. Las diferencias en el cabello, el color de la piel, los ojos y la nariz de diferentes razas son causadas por diferencias genéticas.
Los humanos tienen un solo genoma, con aproximadamente entre 50.000 y 65.438+ millones de genes.
A medida que se descifre gradualmente el genoma humano, se dibujará una imagen de la vida y la vida de las personas experimentará cambios tremendos. Los medicamentos genéticos han entrado en la vida de las personas y utilizar genes para tratar más enfermedades ya no es un lujo. Porque a medida que nuestra comprensión de los seres humanos alcance nuevos niveles, las causas de muchas enfermedades se desentrañarán, los medicamentos estarán mejor diseñados, los tratamientos podrán "apuntar a la enfermedad" y los hábitos alimentarios y de estilo de vida podrán ajustarse en función de condiciones genéticas. mejorará el nivel de salud general de la humanidad y se sentarán las bases médicas del siglo XXI.
Utilizando genes, las personas pueden mejorar las variedades de frutas y verduras y mejorar la calidad de los cultivos. Habrá más plantas, animales y alimentos genéticamente modificados disponibles, y los humanos podrán cultivar súper cultivos en el nuevo siglo. Al controlar las características bioquímicas del cuerpo humano, los humanos podrán restaurar o reparar las funciones de las células y órganos humanos, e incluso cambiar el curso de la evolución humana.
Proyecto Genoma Humano El Proyecto Genoma Humano (PGH) fue propuesto por primera vez por científicos estadounidenses en 1985 y lanzado oficialmente en 1990. Científicos de Estados Unidos, Gran Bretaña, Francia, Alemania, Japón y China participaron en el Proyecto Genoma Humano, valorado en 3.000 millones de dólares. Según este plan, en 2005 se desbloquearán los códigos de aproximadamente 65.438+ genes del cuerpo humano y se trazará un mapa de los genes humanos. En otras palabras, se trata de descubrir los secretos de los 3 mil millones de pares de bases que componen los más de 65.438 millones de genes del cuerpo humano. El Proyecto Genoma Humano, el Proyecto de la Bomba Atómica de Manhattan y el Proyecto Apolo son conocidos como los tres principales proyectos científicos.
En 1986, el premio Nobel Renato Dulbecco publicó un breve artículo "A Turning Point in Cancer Research: Human Genome Sequencing" (Science, 231:1055 ~ 1056). El artículo afirma: "Si queremos entender más sobre los tumores, debemos empezar a prestar atención al genoma de las células de ahora en adelante... ¿Con qué especies deberíamos empezar? Si queremos entender los tumores humanos, debemos empezar con humanos... ..La comprensión detallada del ADN facilitará enormemente la investigación de tumores humanos”
¿Qué es el genoma? El genoma es la composición global de todos los genes de una especie. El genoma humano tiene dos significados: información genética y material genético. Para revelar los misterios de la vida es necesario estudiar la existencia, estructura y función de los genes así como la relación entre genes desde un nivel holístico.
¿Por qué elegir el genoma humano para la investigación? Dado que los seres humanos son las criaturas más avanzadas en el proceso de "evolución", su estudio ayuda a comprendernos a nosotros mismos, comprender las leyes del nacimiento, la vejez, la enfermedad y la muerte, diagnosticar y tratar enfermedades y comprender el origen de la vida.
Mida la secuencia de 3 mil millones de pares de bases del ADN genómico humano, encuentre todos los genes humanos, descubra sus posiciones en los cromosomas y descifre toda la información genética humana.
El Proyecto Genoma Humano también incluye investigaciones sobre los genomas de cinco organismos: Escherichia coli, levaduras, nematodos, moscas de la fruta y ratones. Estos cinco organismos se denominan los cinco "organismos modelo" de los humanos.
El propósito de HGP es decodificar la vida, comprender el origen de la vida, comprender las leyes del crecimiento y desarrollo de la vida, comprender las razones de las diferencias individuales y de especies, comprender el mecanismo de aparición de enfermedades y fenómenos de la vida como como la longevidad y el envejecimiento, y proporcionar soluciones para enfermedades. Proporcionar bases científicas para el diagnóstico y el tratamiento.
La tarea principal de HGP es la secuenciación del ADN humano, además de la tecnología de secuenciación, la variación de la secuencia del genoma humano, la tecnología de genómica funcional, la genómica comparada, la investigación social, legal, ética, la bioinformática y la biología computacional, la educación y la formación. .
1. Mapa genético
El mapa genético, también llamado mapa de ligamiento, se basa en marcadores genéticos con polimorfismo genético (un locus tiene más de un alelo, que aparece en la población). La frecuencia es superior al 1%) como "señal", y la distancia genética (el porcentaje de intercambio y recombinación entre dos loci en la meiosis, la tasa de recombinación es del 1% se llama 1 cm) es la distancia del mapa. El establecimiento de mapas genéticos crea condiciones para la identificación y localización de genes.
Importancia: Más de 6.000 marcadores genéticos han podido dividir el genoma humano en más de 6.000 regiones, de modo que el análisis de ligamiento puede encontrar evidencia de que un determinado gen fenotípico o causante de una enfermedad está cerca de un determinado marcador, de modo que el gen pueda ser ubicado en esta área. Conociendo la región, el gen puede aislarse y estudiarse. Para las enfermedades, encontrar y analizar genes es clave.
Marcadores de primera generación: marcadores genéticos clásicos, como marcadores de grupo sanguíneo ABO y marcadores HLA. A mediados y finales de la década de 1970, el polimorfismo de longitud de los fragmentos de restricción (RFLP) tenía hasta 105 sitios y la cadena de ADN era cortada específicamente mediante enzimas de restricción. Debido a la mutación de un "punto" en el ADN, se pueden producir fragmentos de diferentes longitudes (fragmentos alelos). Los polimorfismos se pueden mostrar mediante electroforesis en gel y se puede realizar un análisis de ligamiento para descubrir la relación entre la información del polimorfismo de los fragmentos y los fenotipos de la enfermedad. Como la enfermedad de Huntington. Pero digerir de 2 a 3 fragmentos a la vez tiene información limitada.
Marcadores de segunda generación: 1985, la repetición en tándem variable VNTR en el centro del minisatélite puede proporcionar fragmentos de diferentes longitudes, siendo la longitud de la unidad de repetición de 6 a 12 nucleótidos. El sistema de marcadores de microsatélites fue descubierto y establecido en 1989. La longitud de la unidad de repetición es de 2 a 6 nucleótidos, también conocida como repeticiones cortas en tándem (STR).
Marcadores de tercera generación: Lander ES del MIT propuso en 1996 el sistema de marcadores genéticos SNP. La tasa de mutación de cada nucleótido es de 10 a 9, y el número de marcadores de doble columna en el genoma humano puede alcanzar los 3 millones, con un promedio de aproximadamente uno cada 1250 pares de bases. Hay de 8 a 16 haplotipos compuestos de 3 a 4 marcadores adyacentes.
2. Mapa físico
Un mapa físico se refiere a información sobre la disposición y el espaciado de todos los genes que componen el genoma. Se dibuja midiendo las moléculas de ADN que forman el genoma. genoma. El propósito de dibujar un mapa físico es ordenar la información genética sobre los genes y sus posiciones relativas en cada cromosoma en una disposición lineal y sistemática. El mapa físico del ADN se refiere al orden de disposición de los fragmentos de restricción de la cadena de ADN, es decir, la posición de los fragmentos de restricción en la cadena de ADN. Dado que las endonucleasas de restricción cortan hebras de ADN basándose en secuencias específicas, la digestión de ADN con diferentes secuencias de nucleótidos producirá fragmentos de ADN de diferentes longitudes, formando así un patrón de digestión único. Por tanto, el mapa físico del ADN es una de las características de la estructura molecular del ADN. El ADN es una molécula muy grande y los fragmentos de ADN generados por las enzimas de restricción para las reacciones de secuenciación son sólo una parte muy pequeña de ella. La relación posicional de estos fragmentos en la cadena de ADN es el primer problema a resolver, por lo que el mapa físico del ADN es la base de la secuenciación y también puede entenderse como un modelo para guiar la secuenciación del ADN. En términos generales, la secuenciación del ADN comienza con la elaboración de un mapa físico, que es el primer paso de la secuenciación. Hay muchas formas de hacer un mapa físico del ADN. Aquí, elegimos un método común y simple: la digestión enzimática parcial de fragmentos marcados para ilustrar el principio de mapeo.
La determinación del mapa físico del ADN mediante hidrólisis enzimática parcial implica dos pasos básicos:
(1) Degradación completa: seleccionar la enzima de restricción adecuada para probar la cadena de ADN (marcador radioisotópico) completamente degradado, y los productos de degradación se desarrollan después de ser separados por electroforesis en gel, y el patrón resultante muestra el número y tamaño de los fragmentos de restricción que forman la cadena de ADN.
(2) Degradación parcial: Utilice un isótopo trazador para marcar una hebra del ADN a analizar y luego utilice la misma enzima para degradar parcialmente la hebra de ADN, es decir, controlando las condiciones de reacción para hacer que las muescas de la enzima en la cadena de ADN se rompan al azar, evitando la degradación completa de todas las roturas con muescas. Parte de los productos de la hidrólisis enzimática también se sometieron a separación por electroforesis y autorradiografía. Al comparar los patrones de autorradiografía de los dos pasos anteriores, la posición del fragmento de restricción en la cadena de ADN se puede determinar en función del tamaño del fragmento y la diferencia entre los dos. La siguiente es una descripción detallada del mapa físico del ADN que determina los genes de histonas.
Un mapa físico completo debe incluir mapas contig de fragmentos de clones de ADN de diferentes vectores del genoma humano, mapas de puntos de corte de grandes fragmentos de endonucleasas de restricción y marcadores de fragmentos de ADN o mapas de secuencias de ADN específicas (STS). , mapas de marcadores de secuencias características que están ampliamente presentes en el genoma (como secuencias CpG, secuencias Alu, líneas isovolumétricas), mapas citogenéticos del genoma humano (es decir, regiones, bandas y subbandas cromosómicas, o longitudes de cromosomas) Marcados por porcentaje ), finalmente,
El principio básico es "romper" el enorme ADN que no se puede iniciar y luego unirlo. Mb, kb y pb se utilizan como distancias del mapa, y la secuencia STS (sitio de etiqueta de secuencia) de la sonda de ADN se utiliza como punto de referencia. 1998 Completó un mapa físico de clones contiguos con 52.000 sitios de etiquetas de secuencia (STS), que cubren la mayoría de las regiones del genoma humano. Uno de los contenidos principales de la construcción de un mapa físico es conectar fragmentos de clones de ADN que contienen secuencias correspondientes a STS en "cóntigos" superpuestos. La biblioteca que contiene fragmentos de ADN humano vectorizados por "YAC" ha incluido la construcción de contigs de fragmentos altamente representativos con una cobertura total del 100%. En los últimos años, se han desarrollado bibliotecas BAC, PAC o cósmidos más fiables.
3. Mapa de secuencia
Con la finalización de los mapas genéticos y físicos, la secuenciación se ha convertido en una máxima prioridad. La tecnología de análisis de secuencia de ADN es un proceso de varias etapas que incluye la fragmentación del ADN, el análisis de bases y la traducción de la información del ADN. Obtener el mapa de secuencia del genoma mediante secuenciación.
La contribución del PGH a la importancia humana
1. La investigación del HGP sobre genes de enfermedades humanas
Los genes relacionados con enfermedades humanas son información importante sobre la integridad estructural y funcional del genoma humano. Para las enfermedades de un solo gen, las nuevas ideas de "clonación posicional" y "clonación de candidatos posicionales" han llevado al descubrimiento de una gran cantidad de genes que causan enfermedades de un solo gen, como la enfermedad de Huntington, el cáncer de colon hereditario y el cáncer de mama. Proporcionar nuevas oportunidades para el diagnóstico genético y las pruebas genéticas de estas enfermedades sienta las bases. Actualmente, las enfermedades poligénicas como las enfermedades cardiovasculares, los tumores, la diabetes, las enfermedades neuropsiquiátricas (enfermedad de Alzheimer, esquizofrenia) y las enfermedades autoinmunes son el foco de la investigación genética de enfermedades. La investigación relacionada con la salud es una parte importante del PGH. En 1997 se propusieron sucesivamente el "Proyecto de anatomía del genoma tumoral" y el "Proyecto del genoma ambiental".
2.2 Contribución. El PGH requiere medicina
Diagnóstico genético, terapia y tratamiento génicos basados en el conocimiento genómico, prevención de enfermedades basada en información genómica, identificación de genes de susceptibilidad, intervención del estilo de vida y factores ambientales de los grupos de riesgo.
Aportación de 3.3. Del PGH a la biotecnología
(1) Fármacos modificados genéticamente: proteínas secretadas (hormonas polipeptídicas, factores de crecimiento, quimiocinas, factores de coagulación y anticoagulación, etc.) y sus receptores.
(2) Industria de reactivos de diagnóstico e investigación: kits de genes y anticuerpos, biochips para diagnóstico e investigación, modelos de detección de enfermedades y fármacos.
(3) Fomentar la ingeniería celular, embrionaria y de tejidos: células madre embrionarias y adultas, tecnología de clonación y reconstrucción de órganos.
4.4 Contribución. HGP para la industria farmacéutica
Detección de objetivos farmacológicos: combinación de química combinatoria y tecnología de separación de compuestos naturales para establecer ensayos de unión de enzimas y receptores de paso alto. Diseño de fármacos basado en el conocimiento: análisis estructural avanzado, predicción y simulación de genes y productos proteicos: “bolsillos” de acción de los fármacos.
Terapia farmacológica personalizada: farmacogenómica.
El importante impacto del 5.5. HGP analiza la economía social
La bioindustria y la industria de la información son los dos principales pilares económicos de un país; los beneficios sociales y económicos del descubrimiento de nuevos genes funcionales (como los medicamentos modificados genéticamente); medicamentos para bajar de peso y medicamentos para aumentar la altura).
El impacto del 6.6. HGP sobre el estudio de la evolución biológica
La historia evolutiva de los organismos está grabada en el "libro celestial" de cada genoma; Paramecium es un pariente del humano - 65.438+30 millones de años los humanos tenemos entre 3 millones y 30 millones de años; 4 millones de años Evolucionó a partir de una especie de mono hace muchos años. La primera vez que los humanos "salieron de África" (los antiguos simios hace 2 millones de años; la humana "Eva" vino de África, hace 200.000 años), la segunda vez que "salieron de África".
El impacto negativo del 7.7. Proyecto Genoma Humano
"Parque Jurásico" no es sólo una historia de ciencia ficción; armas biológicas para el exterminio racial selectivo; guerras de patentes genéticas para saquear los recursos genéticos y la privacidad personal;