Inimese genoom – definitsioon, DNA-järjestus ja HGP-ülevaade
Inimese genoom sisaldab kogu inimese pärilike omaduste informatsiooni ja paikneb peamiselt 23 kromosoomipaaril rakutuuma ning väiksemas koguses mitokondriaalsesse DNA-sse. Täiskasvanu genoomi suurus on ligikaudu 3,2 miljardit aluspaari; sellest osa kodeerib valgud, ent suur osa on ka mittekodeeriv ja osaleb geenide regulatsioonis, kromosoomide struktuuris ja evolutsioonis. Mitochondriaalne DNA on palju väiksem (umbes 16,5 kilobasi paari) ja pärandub peamiselt ema kaudu.
DNA järjestus ja inimgenoomi sisu
Me teame nüüd palju rohkem DNA järjestuse kohta kromosoomidel: genoom sisaldab umbes 20 000–25 000 proteiine kodeerivat geeni, kuid järjestuse funktsionaalne kaardistamine on keerulisem, sest suur osa genoomist sisaldab regulaatorelemente, korduvaid järjestusi ja mittetundmatuid kogujaid. Inimeste vahel esinevad variatsioonid — nagu ühe nukleotiidi polümorfsused (SNP-d), struktuurvariandid ja koopiaarvu muutused — mõjutavad haigusriske, ravivastuseid ja fenotüüpe.
Inimese genoomi projekt (HGP) ja referentsjärjestus
Inimese genoomi projekt (HGP) lõi esialgse referentsjärjestuse, mida kasutavad teadlased ja arstid kogu maailmas. Rahastatud riikliku ja rahvusvahelise koostöö tulemusena avaldasid riiklike partnerite töörühmad oma tulemused juhtivates ajakirjades (Nature) ning erasektori kaasatus avaldus Science lehel koos Celera uuringuga. Need tööd kirjeldasid nii järjestuse koostamise strateegiaid kui ka esmaseid analüüse. Täiustatud eelnõud avaldati 2003. ja 2005. aastal, mis hõlmasid ligikaudu ≈92% inimgenoomi järjestusest; osa korduvatest ja raskesti koostatavatest piirkondadest jäi tollal veel lahendamata.
HGP andis meile "referentsi" — ühe järjestuse, mille alusel võrreldi isiklikke ja populatsioonilisi andmeid —, kuid see referents ei peegelda kogu inimlikku mitmekesisust. Aeglaselt on kaupmeeskond edasi arenenud: uued pika lugemise (long-read) tehnoloogiad ja Telomere-to-Telomere (T2T) konsortsium on võimaldanud sulgeda varasemaid lünki ning käimas on ka pangenoomi projektid, mis püüdlevad enamasti domineerivast referentsist mitmekesisema ja representatiivsema malli poole.
ENCODE ja geenide regulatsioon
Viimane suur uurimisalgatus ENCODE (Encyclopedia of DNA Elements) keskendub sellele, kuidas geenid on kontrollitud: taotleme teada saada, millised järjestused toimivad promootorite, ensaitserite, enhancerite, transkriptsioonifaktorite sidumiskohtadena ja kuidas kromatiini seisund mõjutab geeniekspressiooni. ENCODE-i andmed aitavad mõista mittetõlgendatud piirkondade funktsioone ning seostada regulatoorseid elemente haigusvariantidega.
Rakendused, piirangud ja eetilised küsimused
- Kliiniline kasutus: genoomika võimaldab geneetilist testimist, täppismeditsiini ja vähi genomika põhjal suunatud ravi; siiski ei selgita üksik järjestus alati haiguse teket – sageli on tegemist keeruka geen–keskkonna interaktsiooniga.
- Variatsioon ja tõlgendamine: tuvastatud variantide tähendus ei ole alati selge: paljude mutatsioonide patogenees on teadmata ja nõuab lisauuringuid.
- Eetika ja sotsiaalne mõju: genoomteave tekitab küsimusi privaatsusest, diskrimineerimisest, kindlustusest ja andmete jagamisest; HGP algusest peale on rõhutatud ELSI (ethical, legal and social implications) teemasid.
- Tehnilised piirangud: korduvad järjestused, strukturaalsed variandid ja heterogeensed proovimaterjalid raskendavad täielikku ja usaldusväärset järjestamist ning tõlgendamist.
Tulevik
Genoomika areneb kiiresti: paremad järjestamistehnoloogiad (pika lugemise meetodid), suuremad populatsiooniuuringud, pangenoomid ja rakutasandi (single-cell) analüüsid annavad järgmise kümnendi jooksul tunduvalt parema pildi inimgenoomi funktsioonist ja varieeruvusest. Nende teadmiste vastutustundlik rakendamine tervishoius nõuab nii teaduslikku täpsust kui ka tugevat eetilist ja regulatiivset raamistikku.
Inimese idealiseeritud karyotüübi graafiline kujutis, mis näitab genoomi korraldust kromosoomideks. Sellel joonisel on kujutatud nii 23. kromosoomipaari naissoost (XX) kui ka meessoost (XY) versioon.
DNA ja valgud
Inimese genoom sisaldab veidi üle 20 000 valku kodeeriva geeni, mis on palju vähem kui arvati. Tegelikult kodeerib ainult umbes 1,5% genoomist valke, ülejäänud osa koosneb mittekodeerivatest RNA-geenidest, regulatiivsetest järjestustest ja intronitest.
Üks geen võib aga RNA splaissingu abil toota erinevaid valke. Üks konkreetne Drosophila geen (DSCAM) võib alternatiivselt splaissida 38 000 erinevaks mRNA-ks. Iga mRNA kodeerib erinevat peptiidahelat. Seetõttu on toodetud valkude arv palju suurem kui kodeerivate geenide arv.
RNA splaissingu ja RNA translatsiooni järgsete muutuste tõttu võib inimese unikaalsete valkude koguarv ulatuda miljonitesse.
Idee, et enamik DNA-d on kasutu "rämps", on vale. Vähemalt 80% genoomist on kindlate funktsioonidega.
Erinevused inimeste ja šimpanside vahel
Praegu elav loom, kes on inimesele kõige lähemal, on šimpansid. 98,4% DNA-st on inimestel ja šimpansidel sama. See kehtib aga ainult ühe nukleotiidi polümorfismide, st ainult üksikute aluspaaride muutuste kohta. Täispilt on hoopis teistsugune.
2005. aastal avaldati ühise šimpansigenoomi genoomi esialgne järjestus. See näitas, et need piirkonnad, mis on piisavalt sarnased, et neid omavahel joondada, moodustavad inimese genoomi 3164,7 miljonist baasist 2400 miljonit, st 75,8% genoomist.
See 75,8% inimese genoomist erineb 1,23% ulatuses šimpanside genoomist ühe nukleotiidi polümorfismide (SNP-d - üksikute DNA-"tähtede" muutused genoomis) poolest. Teist tüüpi erinevused, mida nimetatakse "indelideks" (insertsioonid/deletsioonid), moodustavad veel ~3% erinevust ühtlustatavate järjestuste vahel. Lisaks sellele annavad sarnase DNA-järjestuse suurte segmentide (> 20 kb) koopiate arvu erinevused veel 2,7% erinevust kahe liigi vahel. Seega võib genoomide üldine sarnasus olla kuni 70%.
Seotud leheküljed
Küsimused ja vastused
K: Kus säilitatakse inimese genoomi?
V: Inimese genoom on salvestatud 23 kromosoomipaaril rakutuumas ja väikeses mitokondriaalse DNA-s.
K: Mida on praegu teada meie kromosoomide DNA järjestuse kohta?
V: Meie kromosoomide DNA järjestuse kohta on nüüdseks palju teada.
K: Mis on inimgenoomi projekt?
V: Inimese genoomi projekt (HGP) on projekt, mille käigus koostati inimese genoomi võrdlusjärjestus.
K: Kui suur osa järjestusest on täiustatud eelnõude järgi täidetud?
V: 2003. ja 2005. aastal avaldatud parandatud eelnõud täitsid ≈92% järjestusest.
K: Milline on viimane projekt, milles uuritakse geenide kontrollimist?
V: Viimane projekt ENCODE uurib geenide kontrollimist.
K: Kuigi inimese genoomi järjestus on täielikult kindlaks tehtud, kas see on täielikult arusaadav?
V: Ei, inimese genoomi järjestust ei ole veel täielikult mõistetud.
K: Mida teeb genoomis mittekodeeriv DNA?
V: Genoomi mittekodeeriv DNA teeb olulisi asju, nagu geeniekspressiooni reguleerimine, kromosoomide organiseerimine ja epigeneetilist pärimist kontrollivad signaalid.
