Genetik şifre

Moleküler biyoloji ve genetik alanlarında bir genom , bir organizmanın genetik materyalidir . Bu oluşur DNA (veya RNA içinde RNA virüsleri ). Genom, hem genleri ( kodlama bölgeleri ) hem de kodlamayan DNA'yı , ve ayrıca mitokondriyal DNA ve kloroplast DNA'yı içerir . Genomun çalışmasına genomik denir .

Terimin kökeni

Terimi genom tarafından 1920 yılında kuruldu Hans Winkler , profesörü botanik de Hamburg Üniversitesi , Almanya. Oxford Sözlüğü, adın gen ve kromozom kelimelerinin bir karışımı olduğunu öne sürüyor . Ancak, daha kapsamlı bir tartışma için omiklere bakınız . Birkaç ilgili -OMe kelimeler aşağıda belirtilenler gibi varolan biyoma ve rizom içine bir kelime oluşturan genom sistematik uyuyor.

Sıralama ve haritalama

Bir genom dizisi, bir bireyin veya bir türün tüm kromozomlarını oluşturan nükleotitlerin (DNA genomları için A, C, G ve T) tam listesidir . Bir tür içinde, nükleotidlerin büyük çoğunluğu bireyler arasında özdeştir, ancak genetik çeşitliliği anlamak için birden fazla kişiyi sıralamak gerekir.

1976'da Gent Üniversitesi'nde (Belçika) Walter Fiers , bir viral RNA-genomunun ( Bakteriyofaj MS2 ) tam nükleotit sekansını kuran ilk kişi oldu . Ertesi yıl, Fred Sanger ilk DNA-genom dizisini tamamladı: Phage Φ-X174 , 5386 baz çiftinden. Yaşamın her üç alanı arasındaki ilk tam genom dizileri 1990'ların ortalarında kısa bir süre içinde serbest bırakıldı: Dizilenecek ilk bakteri genomu , Genomik Araştırmalar Enstitüsü'nde bir ekip tarafından tamamlanan Haemophilus influenzae idi .Birkaç ay sonra, ilk ökaryotik genom tamamlandı ve 1980'lerin ortalarında başlayan Avrupa önderliğindeki bir çaba sonucunda yayınlanan tomurcuklanan maya Saccharomyces cerevisiae'nin 16 kromozomunun dizileri tamamlandı . Bir ilk genom sekansı, arke , Methanococcus jannaschii , Genomik Araştırma Enstitüsü tarafından tekrar 1996 tamamlanmıştır.

Yeni teknolojilerin geliştirilmesi, genom dizilimini önemli ölçüde daha ucuz ve kolay hale getirdi ve tam genom dizilerinin sayısı hızla artıyor. ABD Ulusal Sağlık Enstitüleri genomik bilginin birkaç kapsamlı veritabanlarından biri tutar. tamamlanmış genom sekansının binlerce arasında için olanlar yer alır pirinç , bir fare , bitki , Arabidopsis thaliana , kirpi balık ve bakteri E. coli . Aralık 2013'te, bilim adamları ilk olarak soyu tükenmiş bir insan türü olan bir Neandertalin tüm genomunu sıraladılar . Genom,Sibirya mağarasında bulunan 130.000 yaşındaki Neandertal'in ayak parmağı kemiği .

Masif paralel sekanslama gibi yeni sekanslama teknolojileri, Manteia Predictive Medicine tarafından öncülük edildiği gibi, bir teşhis aracı olarak kişisel genom sekanslama olasılığını da ortaya çıkarmıştır . Bu hedef doğrultusunda önemli bir adımı 2007 yılında tamamlanması oldu tam genomun içinde James D. Watson , DNA'nın yapısının kaşiflerinden biri.

Bir genom dizisi bir genomdaki her DNA bazının sırasını listelerken, bir genom haritası yer işaretlerini tanımlar. Bir genom haritası bir genom dizisinden daha az detaylıdır ve genomun etrafında gezinmeye yardımcı olur. İnsan Genom Projesi için düzenlenen harita ve sırası insan genomu . Projede temel bir adım Jean Weissenbach ve ekibi tarafından Paris'teki Genoscope'ta detaylı bir genomik haritanın yayınlanmasıydı .

Referans genom dizileri ve haritaları güncellenmeye devam eder, hataları giderir ve yüksek allelik karmaşıklığına sahip bölgeleri aydınlatır. genomik haritalama azalan maliyet izin verdi soy , bir hizmet olarak sunmak için siteler bire kişinin genom sunabilir ölçüde kitle kaynaklı gibi bilimsel çabalar DNA.LAND de New York Genom Merkezi'nin her iki örnek ölçek ekonomileri ve vatandaş bilimi .

Viral genomlar

Viral genomlar RNA veya DNA'dan oluşabilir. RNA virüslerinin genomları tek sarmallı veya çift ​​sarmallı RNA olabilir ve bir veya daha fazla ayrı RNA molekülü içerebilir (segmentler: monopartit veya çok partili genom). DNA virüsleri tek sarmallı veya çift sarmallı genomlara sahip olabilir. Çoğu DNA virüsü genomu, tek bir lineer DNA molekülünden oluşur, ancak bazıları dairesel bir DNA molekülünden oluşur.

Prokaryotik genomlar

Prokaryotlar ve ökaryotlar DNA genomlarına sahiptir. Archaea'nın tek bir dairesel kromozomu vardır.Çoğu bakteri aynı zamanda tek bir dairesel kromozoma sahiptir ; bununla birlikte, bazı bakteri türlerinin doğrusal kromozomları veya çoklu kromozomları vardır, DNA daha hızlı bakteriyel hücreler bölmek çoğaltılması durumunda, kromozom birden fazla kopyası, tek bir hücre içinde mevcut olabilir, ve hücreler, çoğaltılmış olabilir hızlı DNA daha bölünürse, kromozomun birden fazla replikasyon önce başlatılır bölünme meydana gelir ve yavru hücrelerin tam genomları ve zaten kısmen çoğaltılmış kromozomları miras almasına izin verir. Çoğu prokaryotun genomlarında çok az tekrarlayan DNA vardır. Ancak, bazıları simbiyotik bakteriler (örn. Serratia symbiotica ) genomları ve yüksek psödojen fraksiyonlarına sahiptir: DNA'larının sadece ~% 40'ı proteinleri kodlar.

Bazı bakteriler, plazmidlerde taşınan genomlarının bir parçası olan yardımcı genetik materyale sahiptir . Bunun için genom kelimesi kromozom eşanlamlısı olarak kullanılmamalıdır .

Ökaryotik genomlar

Ökaryotik genomlar bir veya daha fazla doğrusal DNA kromozomundan oluşur. Kromozom sayısı geniş ölçüde değişir Jack aktarma karıncalar ve eşeysiz nemotode , her bir tek çift sahip eğrelti türleri 720 çiftleri vardır. Tipik bir insan hücresinde, her biri ebeveynden miras alınan 22 otozomdan her birinin iki kopyası ve bunu diploid yapan iki cinsiyet kromozomu bulunur . Gametler , örneğin yumurta, sperm, sporlar ve polen gibi, bunlar her bir kromozomun sadece bir kopyasını taşır, yani haploid bulunmaktadır.

Çekirdekteki kromozomlara ek olarak, kloroplastlar ve mitokondri gibi organellerin kendi DNA'ları vardır. Mitokondrilerin bazen " mitokondriyal genom " olarak adlandırılan kendi genomlarına sahip oldukları söylenir . Kloroplast içinde bulunan DNA'ya " plaztom " denebilir . Köken aldıkları bakteriler gibi mitokondri ve kloroplastlar da dairesel bir kromozoma sahiptir.

Prokaryotlardan farklı olarak, ökaryotlarda protein kodlayan genlerin ekon-intron organizasyonu ve değişken miktarlarda tekrarlayan DNA bulunur. Memelilerde ve bitkilerde, genomun çoğu tekrarlayan DNA'dan oluşur.

Kodlama dizileri

Protein yapma talimatlarını taşıyan DNA dizileri kodlama dizileridir. Kodlama dizileri tarafından işgal edilen genom oranı büyük ölçüde değişmektedir. Daha büyük bir genom mutlaka daha fazla gen içermez ve tekrarlayıcı olmayan DNA'nın oranı, karmaşık ökaryotlarda artan genom boyutuyla birlikte azalır.

C. elegans ve meyve sineği gibi basit ökaryotlar , tekrarlayan DNA'dan daha fazla tekrarlayıcı olmayan DNA'ya sahiptir, daha karmaşık ökaryotların genomları büyük ölçüde tekrarlayan DNA'dan oluşma eğilimindedir. Bazı bitkilerde ve amfibilerde, tekrarlayan DNA oranı% 80'den fazladır. Benzer şekilde, sadece% 2 insan genomu proteinlerini kodlar.

Kodlama dizileri

Kodlamayan diziler, intronları , kodlamayan RNA'lar için dizileri, düzenleyici bölgeleri ve tekrarlayan DNA'yı içerir. Kodlamayan diziler insan genomunun% 98'ini oluşturur. Genomda iki tekrarlanan DNA kategorisi vardır: tandem tekrarlar ve serpiştirilmiş tekrarlar.

Tandem tekrarları

Baştan kuyruğa tekrarlanan kısa, kodlamayan dizilere ardışık tekrarlar denir . 2-5 bazepair tekrarından oluşan mikrosatellitler, mini uydu tekrarları 30-35 bp'dir. Tandem tekrarları insan genomunun yaklaşık% 4'ünü ve meyve sinek genomunun% 9'unu oluşturur.Tandem tekrarları işlevsel olabilir. Örneğin, telomerler , memelilerde tandem tekrarlı TTAGGG'den oluşur ve kromozomun uçlarının korunmasında önemli bir rol oynarlar.

Diğer durumlarda, eksonlarda veya intronlardaki tandem tekrar sayısındaki genişlemeler hastalığa neden olabilir , örneğin, insan gen huntingtin tipik haliyle (bir poliglutamin yolu kodlayan) CAG nükleotitlerinin 6-29 tandem tekrarını ihtiva eder. 36'dan fazla tekrara genişleme , nörodejeneratif bir hastalık olan Huntington hastalığına neden olur. Yirmi insan bozukluğunun, çeşitli genlerdeki benzer ardışık tekrar genişlemelerinden kaynaklandığı bilinmektedir. Genleşmiş poligulatamin yollarına sahip proteinlerin nöronların ölümüne neden olduğu mekanizma tam olarak anlaşılamamıştır. Bir olasılık, proteinlerin düzgün bir şekilde katlanmaması ve degradasyondan kaçınmaması, bunun yerine önemli transkripsiyon faktörlerini sekestre eden ve böylece gen ekspresyonunu değiştiren agregatlarda birikmesi.

Tandem tekrarlarına genellikle replikasyon sırasında kayma, eşit olmayan geçiş ve gen dönüşümü neden olur.

Tek kullanımlık elemanlar

Tek kullanımlık elemanlar (TE'ler), genomdaki yerlerini değiştirebilen tanımlanmış bir yapıya sahip DNA dizileridir. TE'ler, bir kopyala ve yapıştır mekanizmasıyla çoğaltılan sınıf I TE'ler veya genomdan eksize edilebilen ve yeni bir yere yerleştirilebilen sınıf II TE'ler olarak sınıflandırılır.

TE'lerin hareketi, ökaryotlarda genom evriminin itici gücüdür, çünkü yerleştirilmeleri gen fonksiyonlarını bozabilir, TE'ler arasındaki homolog rekombinasyon kopyalar üretebilir ve TE eksonları ve düzenleyici dizileri yeni yerlere karıştırabilir.

Retrotranspozonlar

Retrotranspozonlar RNA'ya kopyalanabilir, bunlar daha sonra başka bir bölgede genom içine kopyalanır. Retrotranspozonlar Uzun terminal tekrarlarına (LTR) ve Uzun Olmayan Terminal Tekrarlarına (LTR olmayan) ayrılabilir.

Uzun terminal tekrarları (LTR'ler) eski retroviral enfeksiyonlardan türetilir, bu nedenle gag (virüsün yapısal proteinleri), pol (ters transkriptaz ve integraz), pro (proteaz) ve bazı durumlarda env ( zarf) genler. Bu genler her iki 5' ve 3' uçlarında uzun tekrarları ile çevrili. LTR'lerin çoğu bitki genomundaki en büyük fraksiyondan oluştuğu ve genom büyüklüğündeki büyük varyasyondan sorumlu olabileceği bildirilmiştir.

Uzun olmayan terminal tekrarları (LTR olmayanlar) uzun serpiştirilmiş elemanlar (LINE), kısa serpiştirilmiş elemanlar (SINE'ler) ve Penelope benzeri elemanlar olarak sınıflandırılır. In Diktiyostelyum discoideum , başka DIRS benzeri elemanların Sigara LTRlerin aittir yoktur. LTR olmayanlar ökaryotik genomlarda yaygın olarak yayılır.

Uzun serpiştirilmiş elemanlar (LINE'lar), genleri ters transkriptaz ve endonükleaz için kodlar, bu da onları özerk transpozitif elemanlar haline getirir. İnsan genomu yaklaşık 500.000 LINE'a sahiptir ve genomun yaklaşık% 17'sini alır.

Kısa serpiştirilmiş elemanlar (SINE'ler) genellikle 500 baz çiftinden daha azdır ve otonom değildir, bu nedenle transpozisyon için LINE'lar tarafından kodlanan proteinlere güvenirler. Alu elemanı primatlarda en yaygın olarak bulunan sinüs. Yaklaşık 350 baz çiftidir ve yaklaşık 1.500.000 kopya ile insan genomunun yaklaşık% 11'ini kaplar.

DNA transpozonları

DNA transpozonları , ters terminal tekrarları arasında bir transpozaz enzimi kodlar. İfade edildiğinde, transpozaz, transpozonu çevreleyen terminal ters çevrilmiş tekrarları tanır ve eksizyonunu ve yeniden yerleştirilmesini yeni bir bölgede katalize eder. Bu kes ve yapıştır mekanizması tipik olarak transpozonları orijinal konumlarına yakın yerleştirir (100kb içinde) , DNA transpozonlar bakterilerde ve insan genomunun% 3 ve yuvarlak kurt genomunun% 12 telafi edilir C. elegans .

Genom boyutu

Genom büyüklüğü , bir haploid genomunun bir kopyasındaki toplam DNA bazı çiftlerinin sayısıdır. İnsanlarda, nükleer genom 24 doğrusal moleküle bölünmüş yaklaşık 3.2 milyar nükleotidi, her biri farklı bir kromozomda bulunan en kısa 50.000.000 nükleotidi ve en uzun 260.000.000 nükleotidi içerir. Genom büyüklüğü, prokaryotlar ve alt ökaryotlar arasındaki morfolojik karmaşıklıkla pozitif ilişkilidir ; bununla birlikte, yumuşakçalardan ve yukarıdaki diğer yüksek ökaryotlardan sonra, bu korelasyon artık etkili değildir. Bu fenomen ayrıca tekrarlayan DNA'dan genomlar üzerindeki güçlü etkiyi de gösterir.

Genomlar çok karmaşık olduğundan, bir araştırma stratejisi bir genomdaki gen sayısını çıplak minimuma indirmek ve hala söz konusu organizmanın hayatta kalmasını sağlamaktır. Tek hücreli organizmalar için minimal genomların yanı sıra çok hücreli organizmalar için minimal genomlar üzerinde deneysel çalışmalar yapılmaktadır (bkz. Gelişimsel biyoloji ). İş hem in vivo hem de siliko .