Технология чтения геномов. Технологии следующего поколения
реклама
Технология чтения геномов. Технологии следующего поколения (продолжение) Момыналиев Куват Темиргалиевич, д.б.н. e-mail: [email protected] Skype: dhoroshun Современные проблемы биологии, ЕНУ, Астана, 2012 Richard Wilson, School of Medicine, Washington University, “Sequencing the Cancer Genome” http://tinyurl.com/5f3alk Solexa-based Whole Genome Sequencing Современные проблемы биологии, ЕНУ, Астана, 2012 Illumina (Solexa) Современные проблемы биологии, ЕНУ, Астана, 2012 Illumina (Solexa) Современные проблемы биологии, ЕНУ, Астана, 2012 Illumina (Solexa) Современные проблемы биологии, ЕНУ, Астана, 2012 Solexa Современные проблемы биологии, ЕНУ, Астана, 2012 Illumina (Solexa) Современные проблемы биологии, ЕНУ, Астана, 2012 Debbie Nickerson, Department of Genome Sciences, University of Washington, http://tinyurl.com/6zbzh4 Современные проблемы биологии, ЕНУ, Астана, 2012 Современные проблемы биологии, ЕНУ, Астана, 2012 Система динуклеотидного четырехцветного кодирования SOLiD Современные проблемы биологии, ЕНУ, Астана, 2012 Секвенирование синтезом Современные проблемы биологии, ЕНУ, Астана, 2012 Этапы секвенирования Современные проблемы биологии, ЕНУ, Астана, 2012 Этапы секвенирования Современные проблемы биологии, ЕНУ, Астана, 2012 Этапы секвенирования Современные проблемы биологии, ЕНУ, Астана, 2012 Этапы секвенирования Современные проблемы биологии, ЕНУ, Астана, 2012 Этапы секвенирования Современные проблемы биологии, ЕНУ, Астана, 2012 Форматы проточных ячеек 2х8 2х1 2х4 2х8 Современные проблемы биологии, ЕНУ, Астана, 2012 Производительность геномных секвенаторов Genome Analyzer IIx SOLiD™ 3 System Современные проблемы биологии, ЕНУ, Астана, 2012 Вспомогательные технологии • Парноконцевое секвенирование ДНК • Избирательное секвенирование ДНК • Индексация секвенируемых препаратов ДНК Современные проблемы биологии, ЕНУ, Астана, 2012 Гибридизационная селекция ДНК Современные проблемы биологии, ЕНУ, Астана, 2012 Современные проблемы биологии, ЕНУ, Астана, 2012 Ближайшие конкуренты Современные проблемы биологии, ЕНУ, Астана, 2012 True Single Molecule Sequencing (tSMS) • Two glass flow cells • Each flow cell is divided into 25 channels • 50 individual samples per run • Proprietary surface chemistry • ~25 bases in length • Multi-pass sequencing HeliScope™ Современные проблемы биологии, ЕНУ, Астана, 2012 Helicos Современные проблемы биологии, ЕНУ, Астана, 2012 Современные проблемы биологии, ЕНУ, Астана, 2012 Helicos Современные проблемы биологии, ЕНУ, Астана, 2012 Helicos Современные проблемы биологии, ЕНУ, Астана, 2012 Современные проблемы биологии, ЕНУ, Астана, 2012 Современные проблемы биологии, ЕНУ, Астана, 2012 Современные проблемы биологии, ЕНУ, Астана, 2012 Современные проблемы биологии, ЕНУ, Астана, 2012 SMRT sequencing (Single-Molecule, Real-Time sequencing) Современные проблемы биологии, ЕНУ, Астана, 2012 Современные проблемы биологии, ЕНУ, 33 Астана, 2012 Confidential and Proprietary—DO NOT DUPLICATE Устройство чипа Ion Torrent Wafer Chip Chip Cross Section Semiconductor Manufacturing Semiconductor Packaging Semiconductor Design Современные проблемы биологии, ЕНУ, Астана, 2012 Simple Natural Chemistry Eliminate source of sequencing errors: – – – – Modified bases Fluorescent bases Laser detection Enzymatic amplification cascades Eliminate source of read length limitations: – – – Современные проблемы биологии, ЕНУ, Астана, 2012 Unnatural bases Faulty synthesis Slow cycle time Принцип работы ДНК-полимеразы Современные проблемы биологии, ЕНУ, Астана, 2012 Принцип работы Personal Genome Machine Современные проблемы биологии, ЕНУ, Астана, 2012 Fast Direct Detection dNTP DNA Ions Sequence H+ ∆ pH – Nucleotides flow sequentially over Ion semiconductor chip – One sensor per well per sequencing reaction – Direct detection of natural DNA extension – Millions of sequencing reactions per chip – Fast cycle time, real time detection ∆Q Sensing Layer Sensor Plate ∆V Bulk Drain Source Silicon Substrate To column receiver Современные проблемы биологии, ЕНУ, Астана, 2012 Ion 316 Chip Launch: Scale: Data Output: 1H, 2011 6.3 million wells > 100Mb of high quality sequence Read Length: Starting at 100-200 bases, , Accuracy 99.5% Data Format: SFF/FASTQ file output Reagents: Applications: Complete set of 316 reagents, including Library Kit, Template Prep Kit, Sequencing Kit Multiplexed barcoding for targeted resequencing and microbial genomes Ion 318 Chip Launch: Scale: Data Output: September, 2011 (early access) 11 million wells, > 1Gb of high quality sequence Read Length: Starting at 200-300 bases, Accuracy 99.5% Data Format: SFF/FASTQ file output Applications: • Multiplexed barcoding for targeted resequencing and microbial genomes; • Counting applications RNA-Seq, ChiP-Seq Современные проблемы биологии, ЕНУ, 39 Астана, 2012 Confidential and Proprietary—DO NOT DUPLICATE Реактивы для Ion Torrent Personal Genome Machine Fragment Library Kit Ion Control Materials Kit Ion Sequencing 314 Kit Современные проблемы биологии, ЕНУ, Астана, 2012 Ion Template 314 Kit Prize for DNA Decoding Aims to Fuel Innovation By ANTONIO REGALADO Staff Reporter of THE WALL STREET JOURNAL January 27, 2006; Page B3 X Prize Foundation, foundation plans to offer a $5 million to $20 million prize to the first team that completely decodes the DNA of 100 or more people in a matter of weeks, according to foundation officials and others involved. Современные проблемы биологии, ЕНУ, Астана, 2012 NHGRI Expands Effort to Revolutionize Sequencing Technologies Grants Awarded to Develop Faster, Cheaper DNA Sequencing Современные проблемы биологии, ЕНУ, Астана, 2012 • $70 million for technology leading to human genome sequences for $100 000 in 5 years and $1000 in 10 years Современные проблемы биологии, ЕНУ, Астана, 2012 “$1,000 Genome” Grants • “Droplet-Based Digital Microfluidic Genome Sequencing” Duke University, Durham, N.C. $510,000 (2 years) • The near-term goal of this group is to demonstrate how existing droplet-based microfluidic electro-wetting technology can be modified to perform sequencing by synthesis reaction chemistry. This method allows for smaller volumes of materials to be used as well as the decoupling of synthesis and detection steps, resulting in more efficient automation. • ”Single-Molecule DNA Sequencing with Engineered Nanopores”Oxford University, UK. $4.2 million (5 years) This project is a collaborative effort between two laboratories that have experience in nanopore research, protein engineering and molecular recognition. The group will engineer a device with the ability to recognize a nucleotide on the basis of changes in electrical current, as it passes through a membrane with tiny channels known as nanopores. • • • ”Electronic Sequencing in Nanopores” Harvard University, Cambridge, Mass. $5.2 million (3 years) The group will design novel nanopores articulated with probes to sequentially, and directly, identify nucleotides in very long fragments of genomic DNA based on their unique electronic signals. ”Real-Time DNA Sequencing” VisiGen Biotechnologies, Houston. $4.2 million (3 years) This group is developing a sequencing system in which polymerase (an enzyme used to synthesize DNA molecules) and nucleotides act together as direct molecular sensors of DNA base identity. The key to the system is the interaction between a fluorescent polymerase and the nucleotide, which emits a signature detectable in real-time. ”Massively Parallel Cloning and Sequencing of DNA” University of California, San Diego, La Jolla. $750,000 (3 years) The goal of this project is to develop two innovative technologies: massively parallel, whole-genome amplification and DNA sequencing by denaturation. The resulting system amplifies DNA directly on a microchip, enabling the process of sequencing to be done on a single miniaturized device. • ”Modulating Nucleotide Size in DNA for Detection by Nanopore” Columbia University, New York. $970,000 (3 years) This group will design and synthesize modified nucleotides of different sizes, which can be incorporated into DNA. When passed through nanopores, the differences between these modified nucleotides will be easier to detect, producing clean sequencing data. • ”Sequencing a DNA Molecule Using a Synthetic Nanopore” University of Illinois, Urbana-Champaign. $2.1 million (3 years) This group will explore the feasibility of sequencing a DNA molecule using a type of silicon integrated circuit. The circuit incorporates a nanopore mechanism with a molecular trap that forces the DNA molecule to oscillate back and forth between electrodes, measuring the electrical signal associated with each specific base. • ”Real-Time Multiplex Single-Molecule DNA Sequencing” Nanofluidics, Menlo Park, Calif. $6.6 million (3 years) This group will leverage their zero-mode waveguide technology to detect single nucleotides in real-time, as they are incorporated by a DNA polymerase into a growing DNA molecule. The ultimate goal is to create a realtime, multiplex single-molecule DNA sequencing system that produces sequence reads containing hundreds of thousands of nucleotides. Современные проблемы биологии, ЕНУ, Астана, 2012 “100,000 Genome” Grants • ”Bead-Based Polony Sequencing” Agencourt Personal Genomics, Beverly, Mass. $1.2 million (2 years) Supplemental funding is expected to accelerate commercialization of this technology that will use oligonucleotide ligation to read DNA sequence, using bead-based, polymerase colony (polony) sequencing technology. • ”Ultra High Throughput DNA Sequencing System Based on Two-Dimensional Monolith Multi-Capillary Arrays and Nanoliter Reaction Volume” The State University of New York (SUNY), Stony Brook, N.Y. $1.5 million (2 years) This group will develop and implement an efficient method capable of sequencing mammalian size genomes by amplifying single template molecules, and subjecting the product to Sanger sequencing and a highly parallel, capillary electrophoresis separation system. • ”$100,000 Genome Using Integrated Microfluidic Capillary Electrophoresis” Network Biosystems, Woburn, Mass. $4.5 million (3 years) This group will work to improve performance of Sanger sequencing and PCR as compared to that attainable using capillary electrophoresis systems. To do so, it will miniaturize and integrate current sequencing technologies, building on its microfluidics platform. Современные проблемы биологии, ЕНУ, Астана, 2012 Personal Genomics Современные проблемы биологии, ЕНУ, Астана, 2012 Проекты • Genographic project: Over 67,000 participants. Swedish Twin Registry: 140,000 twins. deCODE.com: 100,000 volunteers in Iceland. Genomics Collaborative, Inc.: over 120,000 patients. Sorenson Molecular Genealogy Foundation: 50,000 participants. Современные проблемы биологии, ЕНУ, Астана, 2012 Genographic project • The National Geographic Society, IBM, geneticist Spencer Wells, and the Waitt Family Foundation have launched the Genographic Project, a five-year effort to understand the human journey—where we came from and how we got to where we live today. This unprecedented effort will map humanity's genetic journey through the ages. Современные проблемы биологии, ЕНУ, Астана, 2012 Современные проблемы биологии, ЕНУ, Астана, 2012 Public participation, including yours, is critical to the Genographic Project's success. : • • • • • Order a Kit The Participation Kit costs U.S. $99.95 (plus shipping and handling and tax if applicable). The kit includes: 1) DVD with a Genographic Project overview hosted by Dr. Spencer Wells, 2) visual instructions on how to collect a DNA sample using a cheek scraper. 3) Exclusive National Geographic map illustrating human migratory history and created especially for the launch of the Genographic Project, 4) Buccal swab kit, instructions, and a self-addressed envelope in which to return your cheek swab sample, 5) Detailed brochure about the Genographic Project, featuring stunning National Geographic photography Return Your Kit In about eight weeks—the time necessary for the laboratory to correctly analyze your DNA—your results will be ready. Note that in some cases inconclusive results require us to do additional testing to determine your haplogroup. This may add several weeks to the process. In the meantime, visit the Web site to see where your sample is in the analysis process. Get Your Results Samples will be analyzed for genetic "markers" found in mitochondrial DNA and on the Y chromosome. We will be performing ONE OF two tests for each public participant: Males: Y-DNA test. This test allows you to identify your deep ancestral geographic origins on your direct paternal line. Females: Mitochondrial DNA (mtDNA). This tests the mtDNA of females to identify the ancestral migratory origins of your direct maternal line Современные проблемы биологии, ЕНУ, Астана, 2012 Атлас миграции человека Современные проблемы биологии, ЕНУ, Астана, 2012 The Swedish Twin Registry: a unique resource for clinical, epidemiological and genetic studies Современные проблемы биологии, ЕНУ, Астана, 2012 • The Swedish Twin Registry (STR), which today has developed into a unique resource, was first established in the late 1950s to study the importance of smoking and alcohol consumption on cancer and cardiovascular diseases whilst controlling for genetic propensity to disease. Since that time, the Registry has been expanded and updated on several occasions, and the focus has similarly broadened to most common complex diseases. In the following, we will summarize the content of the database, describe for the first time recent data collection efforts and review some of the principal findings that have come from the Registry. Современные проблемы биологии, ЕНУ, Астана, 2012 From genes to drugs The primary focus of deCODE's business is the development of new, more effective drugs based upon our gene discovery work in some 50 common diseases. Our population approach and uniqueСовременные competence in human genetics underpin the breadth of проблемы биологии, ЕНУ, 2012 our drug development work, from targetАстана, discovery through clinical trials. A family tree of 102 Icelandic asthma patients linked together over eleven generations back to a founder couple born in the mid-17th century. Современные проблемы биологии, ЕНУ, Астана, 2012 The Beijing Genomics Institute (BGI) Современные проблемы биологии, ЕНУ, Астана, 2012 http://www.genomics.org.cn/en/platform_detail.php?id=150 Расшифровка геномов для диагностики • • • Ник Волькер (Nicholas Volker ) из Висконсина родился в 2004 году и заболел, когда ему исполнилось два года. Мальчик не мог переваривать никакую пищу, быстро худел. В кишечнике были обнаружены многочисленные свищи и отверстия. Он перенес 100 хирургических операций, но к шести годам ребенок не имел ни диагноза. Ученые из Медицинского колледжа штата Висконсин заказали полную расшифровку генома Ника. Эта процедура стоил 75 тыс. долларов. Были определены только последовательность экзонов (менее 1% от генома). Была найдена точечная мутация в гене XIAP (X-linked Inactivation of Apoptosis). Вероятно, что у ребенка развивался иммунный ответ, возможно на пищу, но мутированный XIAP белок необратимо связывался с глобулинами, вызывая гибель клеток в кишечнике. Важно, что мутация в XIAP сцеплена с XLP2, лимфопролиферативным заболеванием (болезнь Дункана, редко встречающаяся форма врожденного иммунодефицита, развивающаяся вследствие нарушенного иммунного ответа на вирус Эпштейна-Барр.), лечение которого заключается в трансплантации костного мозга. Была сделана пересадку — и мальчик выздоровел. Современные проблемы биологии, ЕНУ, Астана, 2012 Была обследована 39-летняя пациентка, страдавшая злокачественным заболеванием костного мозга, предположительно острый промиелоцитарный лейкоз. Однако цитогенетическое исследование раковых клеток не подтвердило этот диагноз. Принципиальным моментом в уточнении диагноза был выбор необходимого пациентке лечения. В частности, при остром промиелоцитарном лейкозе больным назначают курс химиотерапии. В противном случае, пациентке была показана трансплантация стволовых клеток костного мозга. Была проведена полная расшифровка генома пациентки. Были выявлены мутации, свидетельствующие о наличии у больной промиелоцитарного лейкоза. В результате была назначена химиотерапия. В другой работе был расшифрован геном еще одной пациентки с лейкозом. В результате у нее была выявлена ранее неизвестная мутация, обуславливающая развитие заболевания. Пациентка скончалась спустя три дня после уточнения диагноза. Ученые рекомендовали провести генетическое обследование ее детей, чтобы исключить наследование этой мутации. Стоимость исследования составила от 20 до 40 тысяч долларов. Исследователи предположили, что в течение двух лет стоимость расшифровки генома сократится на 90 процентов и методика будет массово внедрена в клиническую практику. Современные проблемы биологии, ЕНУ, Астана, 2012 June 2, 2011 • University Medical Centre Hamburg Eppendorf совместно с BGI-Shenzhen расшифровали геном немецкого штамма E.coli (18 смертей и 1500 инфицированных) с помощью технологий (Ion Torrent Personal Genome Machine или PGM) всего за три дня. • Был установлен ее размер (5.2 млн. пар оснований), а также выявлен сильный токсин. • Разработан диагностический кит. Устанавливается происхождение штамма. Современные проблемы биологии, ЕНУ, Астана, 2012 Геном коровы • • • • • The Bovine Genome Sequencing and Analysis Consortium, Christine G. Elsik, Ross L. Tellam, Kim Worley. "The Genome Sequence of Taurine Cattle: A Window to Rumiant Biology and Evolution". Science, vol. 324, doi:10.1126/science.1169588 (2009) Расшифровкой генома в течение шести лет занимались 300 ученых из 25 стран мира. Всего на проект было потрачено $53 млн, активное участие в нем принимали Национальный институт здравоохранения США и американское министерство сельского хозяйства. Для расшифровки была выбрана L1 Dominette 01449 -- герефордская мясная порода коров. Геном коровы включает примерно 22 тыс. генов, аналоги 80% которых присутствуют в ДНК человека. Строение человеческих хромосом имеет больше общего с коровьими, чем с крысиными или мышиными. Расшифровка генома коровы служит и более прагматичным целям: знание о строении ДНК поможет улучшить качество поставляемого на стол потребителей мяса и молочных продуктов. . Современные проблемы биологии, ЕНУ, Астана, 2012 Геном панды • • • • • • • • • • Nature 463, 311-317 (21 January 2010). The sequence and de novo assembly of the giant panda genome. Ruiqiang Li, Wei Fan, Geng Tian, Hongmei Zhu, Lin He, Jing Cai et al. Первичное секвенирование генома большой панды (Ailuropoda melanoleuca). У больших панд так плохо с репродукцией. Эксперты насчитали в Китае около 1600 диких панд, в основном проживающих в юго-западной части страны, и ещё 239 – в неволе, в специальных селекционных центрах. Попытки увеличить популяцию натыкаются на сложности с либидо этих красивых животных. Попытки подтолкнуть бамбуковых медведей к зачатию потомства пока не дали особого успеха. Существуют ещё два факта, происхождение которых очень интересуют учёных. Первый: почему панды в своём рационе почти полностью полагаются на бамбук (этот фактор является ещё одним ограничением для распространения и способности к адаптации животных на новом месте). Второй: почему взрослые панды так велики, хотя вес новорождённых детёнышей составляет лишь 1% от массы матери. В качестве примера была взята ДНК трёхгодовалой самки. Первые данные позволяют судить о том, что панды действительно имеют родственные связи с медведями (а значит, не зря их называют бамбуковыми медведями). Также стало известно, что наиболее близка панда к собаке (80%), а с человеком бамбуковый медведь делит 68% генов. Современные проблемы биологии, ЕНУ, Астана, 2012 Геном собаки • • • • • • Консорциум во главе с Керстином Линбладом-Тохом из Института Броуда в Кембридже, штат Массачусетс, США, использовал для составления схемы генома Таши секвенирование методом "выстрела из дробовика. Боксера Ташу выбрали потому, что она - высокоинбредная собака (родилась в результате близкородственного скрещивания). Это означает, что различия между парными хромосомами меньше, что облегчает секвенирование. Домашние собаки сильно различаются внешне, однако их геномы на 99,85% идентичны. Боксера и пуделя, например, разделяет всего одно отличие на каждые 900 нуклеотидных оснований. У собак больше генов, сходных с человеком, чем у мышей, несмотря на то что они откололись от нашего общего предка раньше, чем мыши. Так что более детальная схема генома значительно улучшит наше понимание, какие гены отвечают за внешний вид и какие - за некоторые заболевания. Помимо генома Таши, исследователи секвенировали менее крупные части генома собак 10 других пород, таких как немецкая овчарка, бигль и левретка, а также их близких родственников, волка и койота. Они составили каталог 2,5 млн индивидуальных отличий ДНК разных пород. Охватившая более 99% генома Таши схема также позволила глубже взглянуть на то, как на уровне ДНК работает естественный отбор. Большая часть некодирующей ДНК у собак такая же, как и у людей, и это означает, что она подвергается мощному естественному отбору. "Поэтому некодирующая ДНК это не просто "мусор. Эти последовательности, по его словам, могут составлять некодирующую РНК или выполнять регуляторно-координирующую функцию” Современные проблемы биологии, ЕНУ, Астана, 2012 Геном трески • • • • • • • Атлантическая треска (Gadus morhua) относится к популярным промысловых рыб: ее мясо очень вкусно, а богатая жиром печень используется для производства рыбьего жира. В конце 20 века численность атлантической трески у берегов Северной Америки резко сократилась из-за чрезмерного вылова. Существуют планы по восстановлению численности трески, однако ни один из них пока не был приведен в действие. Якобсен и его коллеги расшифровали геном Gadus morhua при помощи метода дробовика В геноме трески содержится около 830 миллионов нуклеотидов , это около 98% всех генов,. Было проведено сравнение генома трески с геномом другого вида хищных морских рыб - трехиглых колюшек (Gasterosteus aculeatus), и выяснили, что у них совпадает примерно 18 тысяч генов, кодирующих структуру белков. В целом в геноме трески присутствует около 22 тысяч значимых генов. В геноме трески отсутствует главный комплекс гистосовместимости (MHC II) - относительно длинный участок ДНК, кодирующий значительную часть белков иммунной системы, участвующих в "опознании" бактерий и вирусов. Считалось, что этот участок появился у первых позвоночных животных и мало изменился с тех пор. Выяснилось, что для защиты от патогенов треска использует менее совершенный с эволюционной точки зрения комплекс гистосовместимости MHC I, который у других животных "помогает" MHC II. Количество генов в этом комплексе и их общая "протяженность" у трески оказалась значительно выше, чем у других видов позвоночных. Кроме того, в геноме трески расширен набор TLR-генов - участков ДНК, кодирующих белки, которые нейтрализуют конкретные бактерии или другие патогены. Помимо этого, был обнаружен механизм, с помощью которого треска приспосабливается к изменениям концентрации кислорода в воде при повышении или понижении температуры. Было установлено, что в гены, кодирующие разные вариации гемоглобина, встроен особый "генетический ключ", который включается или выключается при определенной температуре. В зависимости от степени нагрева воды включается либо один, либо другой ген гемоглобина, что позволяет рыбам гибко приспосабливаться к колебаниям температуры. Nature. 2011 Aug 10;477(7363):207-10. The genome sequence of Современные проблемы биологии, ЕНУ, Atlantic cod reveals a unique immune system. Астана, 2012 http://genome10k.soe.ucsc.edu/ • Genome 10K Project • To understand how complex animal life evolved through changes in DNA and use this knowledge to become better stewards of the planet. • • The Genome 10K project aims to assemble a genomic zoo—a collection of DNA sequences representing the genomes of 10,000 vertebrate species, approximately one for every vertebrate genus. The trajectory of cost reduction in DNA sequencing suggests that this project will be feasible within a few years. Capturing the genetic diversity of vertebrate species would create an unprecedented resource for the life sciences and for worldwide conservation efforts. • The growing Genome 10K Community of Scientists (G10KCOS), made up of leading scientists representing major zoos, museums, research centers, and universities around the world, is dedicated to coordinating efforts in tissue specimen collection that will lay the groundwork for a large-scale sequencing and analysis project. Современные проблемы биологии, ЕНУ, Астана, 2012 Геном неандертальца • • • Hernán A. Burbano1, Emily Hodges, Richard E. Green1,Adrian W. Briggs1, Johannes Krause1, et al. Targeted Investigation of the Neandertal Genome by Array-Based Sequence Capture. Science 7 May 2010: Vol. 328 no. 5979 pp. 723725. Материалом исследования послужили кости из пещеры в Хорватии; возраст образцов оценили радиоуглеродным методом как 38 000 и 44 000 лет, так как образцы были извлечены из разных слоев пещеры. Конкретные кости были выбраны, в частности, из-за того, что ими прежде не слишком интересовались археологи, поэтому не успели захватать их руками и внести изрядную долю собственной ДНК. Сразу же удалось доказать, что это не останки неандертальских мужчин, как предполагали археологи, а кости трех неандерталок. Было реконструировано и очищено от загрязнений и ошибок 2/3 генома — это примерно 4 млрд нуклеотидов. Чтобы получить запись неандертальского генома, потребовалось выбросить из рассмотрения всю микробную составляющую материала: ясно, что именно микробы оказались наиболее многочисленными «загрязнителями» древних остатков. Для отделения человеческой составляющей от микробной сначала воспользовались библиотеками известных микробных генов и исключили их. Затем обработали неандертальские образцы специальными ферментами, разрушающими только микробные гены. В результате в образцах осталось не так уж и много генов микроорганизмов. Далее оценивали присутствие любых маммальных генов с учетом всей имеющейся информации в современных биоинформационных библиотеках. Также генетики оценили привнос генов современных людей — всё же эти образцы побывали в руках исследователей. По митохондриальной ДНК можно судить об объеме этих загрязнений — около 1%. Современные проблемы биологии, ЕНУ, Астана, 2012 Геном неандертальца • • • Hernán A. Burbano1, Emily Hodges, Richard E. Green1,Adrian W. Briggs1, Johannes Krause1, et al. Targeted Investigation of the Neandertal Genome by Array-Based Sequence Capture. Science 7 May 2010: Vol. 328 no. 5979 pp. 723725. Геном неандертальцев и современных людей отличается на 0,16%. Таким образом, можно увидеть, какие именно отличающиеся гены составляют нашу «разумную» сущность — иными словами, какие гены имеются у современных людей, но отсутствуют и у шимпанзе, и у неандертальцев. Это гипотетические элементы, которые не унаследованы от общего предка и появились только после расхождения ветвей современного человека и неандертальца. Таких сугубо современных элементов — нуклеотидных замен в генах — нашлось 78. Некоторые из этих нуклеотидных замен могут быть нейтральными (они могли закрепиться в результате обычных демографических процессов, бутылочных горлышек и т. д.), другие же могут иметь и адаптивное значение. Нашлось 5 таких генов, которые несли по несколько указанных нуклеотидных замен. Эти гены и, соответственно, эти мутации, очевидно, адаптивны для современных людей, иначе бы эволюция не обратила бы на них столь пристального внимания. Это гены, связанные с функциями кожи, мыслительной деятельностью, энергетическим обменом Современные проблемы биологии, ЕНУ, Астана, 2012 • Были определены 78 нуклеотидных замен, которые отличают современного человека (справа) от неандертальца (слева). Указаны функции некоторых генов, для которых характерны множественные замены. Одни из них активны в коже и волосах, явно участвуют в создании «человеческой» внешности и особенностях зрительного восприятия (CAN15). Другие, очевидно, связаны с мыслительными особенностями человека. Один из генов определяет активность сперматозоидов — вероятно, он эволюционировал под действием полового отбора. Рис. из обсуждаемой статьи в Science Современные проблемы биологии, ЕНУ, Астана, 2012 Геном неандертальца • • • • Hernán A. Burbano1, Emily Hodges, Richard E. Green1,Adrian W. Briggs1, Johannes Krause1, et al. Targeted Investigation of the Neandertal Genome by Array-Based Sequence Capture. Science 7 May 2010: Vol. 328 no. 5979 pp. 723725. По уровню генетических различий геном неандертальца оказался больше похож на европейцев, азиатов и папуасов, чем на африканцев. Это ясно следует из результатов попарного сравнения генов неандертальцев и современных представителей разных частей света. Тут привлекались дополнительные данные по современным людям для нивелирования индивидуальных и демографических отличий. Жители современной Евразии имеют примерно 1–4% неандертальских генов, а в геноме африканцев неандертальских следов существенно меньше. Первая встреча неандертальцев с сапиенсами могла произойти около 80 000 лет назад в Азии. К этому времени уже прошла первая волна миграции сапиенсов из Африки, а неандертальцы подошли к азиатским рубежам. По оценкам израильских специалистов, гипотетическое время сосуществования людей современного типа и неандертальцев в окрестностях горы Кармель могло длиться около 10 000 лет. Этого вполне достаточно, чтобы вероятность скрещивания не считать исчезающе малой. Редкие, но плодотворные встречи сапиенсов и неандертальцев оставили след в геноме современных людей. Следующая волна миграции сапиенсов из Африки в Европу началась около 50 000 лет назад. Мигранты обязательно встретили на своем тысячелетнем пути неандертальцев. Были ли часты браки между сапиенсами и аборигенами — неизвестно, но следы этих браков остались в генах современных людей. Современные проблемы биологии, ЕНУ, Астана, 2012 Геном кукурузы • • • • • • Считается, что кукуруза была одомашнена около десяти тысяч лет назад на территории Центральной Америки; «предшественником» кукурузы стало растение теосинте. В качестве объекта секвенирования генома была выбрана популярная инбредная (полученную путем принудительного самоопыления) линия кукурузы В73, которая была представлена в 1972 году сотрудниками Университета штата Айовы (США). Геном В73 по своей сложности не слишком уступает человеческому. Авторы идентифицировали около 32 500 генов, расположенных на 10 хромосомах; 85% последовательности занимают так называемые мобильные генетические элементы — участки генома с непостоянной локализацией. Эти повторяющиеся кусочки ДНК влияют на экспрессию генов и могут вызывать мутации. Биологи из Мексики провели расшифровку генома древней разновидности Palomero и обнаружили, что он на 400 млн нуклеотидов короче, чем геном В73, и содержит на 20% меньше повторяющихся участков ДНК. Другая группа ученых, представляющая Университет штата Айовы, провела эксперименты по скрещиванию двух инбредных линий кукурузы — B73 и Mo17. В результате было установлено, что экспрессию генов у полученных гибридов контролируют преимущественно те гены, которые были переданы по отцовской линии. Современные проблемы биологии, ЕНУ, Астана, 2012 Геном риса • • • Чтобы избавить мир от нехватки продовольствия, в ближайшие двадцать лет необходимо увеличить урожаи риса на 30%. В эксперименте ученые использовали сорт риса под названием Oryza sativa - подвид сорта japonica, который выращивают в основном в Японии, Корее и США. Работы над расшифровкой генома заняли семь лет. Специалисты сравнивали рис с единственным растением, геном которого на сегодняшний день полностью расшифрован - это Arabidopsis thaliana или кресс-салат. Выяснилось, что 90% белков кресс-салата также присутствуют в рисе, и только 71% белков риса имеются в структуре этой травы. Согласно данным ООН, в настоящее время на долю риса приходится 30% урожая всех злаковых, а за последние тридцать лет его производство удвоилось. Однако в будущем этого злака понадобится еще больше - к 2025 году от риса будут зависеть жизни 4,6 миллиарда человек. Современные проблемы биологии, ЕНУ, Астана, 2012 The genome of melon (Cucumis melo L.) • Фонд генетических исследований Испании в сотрудничестве с девятью научно-исследовательскими центрами и пятью компаниями разработал программу «Melonimics», в ходе которой ученым и удалось достичь успешных результатов. Результаты показали, что геном дыни содержит 27 427 генов. Из них 411 генов, как было установлено, отвечают за устойчивость к болезням, 26 ген связаны с накоплением каротиноидов (который дают цвет мякоти) 63 гена отвечают за содержание сахара и вкусовые качества. Исследования по расшифровке геномов фруктов и овощей полным ходом идут в различных странах по всему миру. Современные проблемы биологии, ЕНУ, Астана, 2012
