Содержание
Ученые объяснили, почему все клетки разные и почему человек не похож на мышь
Ученые впервые выяснили, как работают одни и те же гены в разных клетках человека и мыши. Российский участник проекта Fantom биоинформатик Всеволод Макеев рассказал «Газете.Ru» о задачах работы и о том, как она велась.
Основная загадка жизни
Прочтение последовательности букв в геноме человека еще не дает понимания того, как работает геном. Это не расшифровка генома, а, наоборот, зашифрованный текст, смысл которого мы пока не понимаем. Основная интрига заключается в том, что все клетки организма имеют одну и ту же ДНК, в которой содержится информация о кодировании определенных белков. Но клетки разных тканей разные, мышечные клетки не похожи на нервные или на клетки крови. В процессе развития каждый организм проходит путь от оплодотворенной яйцеклетки до взрослой особи и при этом все время меняется, а геном — нет. Очевидно, что работа генов неодинакова в разном месте и в разное время.
В том, как это все регулируется, — в этом и состоит основная загадка жизни.
Генетики заархивировали людей
Сделан важный шаг к пониманию работы генома и к персонализированной медицине: ученые секвенировали РНК в пяти…
16 сентября 11:29
В последнее десятилетие усилия ученых были направлены на то, чтобы последовательно приближаться к пониманию того, как работает геном. О большом шаге в этом направлении рассказано в двух статьях последнем выпуске журнала Nature, где опубликованы результаты исследований в рамках программы Fantom. Название этой программы расшифровывается как Functional ANnoTation Of Mammals — функциональная характеристика генома млекопитающих. Она была инициирована в 2000 году японскими учеными из Центра технологий наук о жизни RIKEN. Выполнение программы включает несколько этапов, и сейчас ученые публикуют результаты пятого этапа. В международном консорциуме участвуют более 250 ученых из 114 институтов из 20 стран, в том числе и российские специалисты из Института общей генетики РАН.
Помимо двух ключевых статей в Nature результаты исследований про проекту Fantom 5 опубликованы также в 16 статьях в других научных журналах.
Принципы работы генома универсальны что для мыши, что для человека — именно эти представители млекопитающих стали основными объектами исследований. У человека и мыши примерно один и тот же набор генов, в то же время мы совсем не похожи на мышь. Все дело в том, что гены человека регулируются по-другому, чем гены мыши. Ученые убедились в этом, нанеся на карту эти регуляторы и сравнив, как они работают у одного и другого вида.
«Исследования дают нам взгляд на то, почему человек отличается от других животных, при том что мы разделяем с ними большую часть генов, — говорит Мартин Тэйлор из Института генетической и молекулярной медицины Эдинбургского университета. — Сравнение атласа человека и мыши показывает, что в процессе эволюции произошел значительный перемонтаж связей между регуляторами».
Человек тоже различен в разных тканях. Секрет того, что клетки печени не похожи на клетки крови, опять же в том, что в них работают разные гены.
А каким генам работать, каким — нет, зависит от регуляции.
Регуляторы генов
Генетика меняет человека
Важные решения без полной экспертизы принимаются и в США. Ученые подсчитали, что потребительские генетические…
16 января 09:55
Основные регуляторы работы генома — это так называемые промоторы и энхансеры. Промотор — это последовательность нуклеотидов, которая дает старт для транскрипции — первого этапа работы гена, когда на участке ДНК по принципу комплементарности синтезируется матричная РНК. Сигнал к этому возникает, когда промотор узнается ферментом РНК-полимеразой. Энхансер — это умножитель работы гена, последовательность нуклеотидов, которая может располагаться вовсе не рядом с геном, а где-то довольно далеко. Но, действуя через определенные белки, энхансер может в несколько раз увеличить транскрипцию того или иного гена.
Определить расположение в геноме этих регуляторов — промоторов и энхансеров — очень сложная задача, которая может быть решена только усилиями большого консорциума.
Эта задача и решалась в программе Fantom. Например, ученые из Института Рослина Эдинбургского университета создали атлас регуляторов генной активности при развитии мышц и костей.
Исследователи использовали специальную технику под названием Cap Analysis of Gene Expression (CAGE), созданную в центре RIKEN. Она позволила проследить за активностью промоторов и энхансеров более чем в 180 типах клеток человека.
Ученым удалось идентифицировать в геноме 180 тыс. промоторов и 44 тыс. энхансеров.
Они нашли, что регуляция транскрипции в очень большой степени специфична для каждого типа клеток.
Российские ученые в Fantom
В консорциум проекта Fantom 5 входит команда российских биоинформатиков из Института общей генетики РАН. Об этой работе «Газете.Ru» рассказал доктор физико-математических наук Всеволод Макеев, заведующий отделом ИОГен РАН, координатор российской группы.
— Как давно вы участвуете в проекте?
— Мы присоединились к консорциуму Fantom в 2011 году, на этапе Fantom 5.
Когда стало возможно получать данные для большого количества тканей, руководители проекта привлекли биоинформатиков со всего мира. Получая доступ к уникальным данным до того, как они будут опубликованы, биоинформатики, в свою очередь, предлагали методы обработки данных и идеи, которые можно проверить этими методами.
— Как организована ваша работа?
— Все данные лежат на серверах, мы их скачиваем и анализируем, и это можно делать, находясь в Москве.
Генетики почистили неандертальца
Проблема, с которой часто сталкиваются генетики при анализе ДНК древних людей и животных, — контаминация…
28 января 17:49
Мы используем для этого мощные компьютеры на факультете биоинженерии и биоинформатики МГУ и у себя в ИОГене.
— А какие конкретные задачи перед вами стояли?
— Мы исследовали активность регуляторных участков генома и белков — транскрипционных факторов, которые с этими белками взаимодействуют. Над этим работали пять групп, причем это большая часть всех исследовательских групп в мире, которые решают эти задачи.
В результате удалось составить атлас активности регуляторных белков в разных клетках — это около 1500 белков. Но районы, в которых они взаимодействуют с ДНК, известны пока менее чем для половины регуляторов. Удалось также выявить роль химического изменения ДНК, так называемого метилирования, в связывании регуляторных белков с ДНК.
— Как шло развитие исследований от первого к пятому Fantom? И на каких объектах работали ученые?
— С 2000 года по крайней мере три раза менялась технология, и новые методы позволяли проводить все более широкие и точные исследования. А что касается объектов, изначально это была мышь, и буква «М» в аббревиатуре означала Mouse.
Сейчас это мышь и человек
— Чем отличается проект Fantom от проекта Encode, результаты которого не так давно были опубликованы?
— Главным образом тем, что мы анализировали не раковые линии, а нормальные клетки. С раковыми линиями проще работать, но они не всегда хорошо отражают процессы в нормальных клетках.
Такой широкий анализ клеток нормальных тканей не проводился еще никогда. Благодаря этому появилась возможность понять, почему клетки тканей имеют такой клеточный тип, какой они имеют. Это важно и для регенеративной клеточной медицины — понять, как устроена дифференцировка клеток в тканях. И вообще это фундаментальный вопрос биологии.
— Есть ли уже понимание, почему клетки становятся разными и как работает геном?
— Сейчас мы более-менее понимаем, какие гены в каких клетках работают, причем это не обязательно гены, которые кодируют белки. Но более интересен вопрос, почему в какой-то ткани, допустим, включены 10 тыс. генов, а остальные не работают. Почему промоторы генов включаются и выключаются. Пока еще мы не понимаем этого настолько хорошо, чтобы мы могли этим процессом управлять, чтобы мы могли, скажем, конструировать регуляторные элементы, вставлять генно-инженерные последовательности в геном и говорить, что этот ген будет работать в таких-то тканях, а в таких-то тканях он работать не будет.
— А будет ли продолжение проекта?
— Да, сейчас опубликованы результаты первой стадии Fantom 5, а результаты второй стадии, вероятно, будут опубликованы в 2015 году. Обсуждаются и возможности дальнейшего продолжения проекта.
Осталось понять, как самолет летает
Гены лепят лицо
Генетики начали понимать, почему у разных людей разные лица, и близки к тому, чтобы найти мутации, приводящие…
25 октября 10:44
«Мы являемся многоклеточными организмами, состоящими по меньшей мере из 400 типов клеток. Это замечательное разнообразие типов клеток позволяет нам видеть, думать, слышать, двигаться и сопротивляться инфекциям, при этом вся эта информация закодирована в геноме, одном и том же у всех клеток. Различия между клетками состоят в том, какую именно часть генома они используют. Например, в клетках мозга используются гены, которые не используются в клетках печени, и поэтому мозг и печень работают по-разному.
В рамках проекта Fantom 5 мы впервые выяснили, какие именно гены используются в каждой из клеток человеческого тела и какие участки генома этим управляют», — сказал доктор Алистер Форрест, сотрудник центра RIKEN, научный координатор проекта Fantom 5.
Особенность проекта в том, что он направлен на изучение нормальных, здоровых клеток, так называемых первичных, не измененных генетически, не раковых. Чтобы понять, как работает геном, нужно делать это в здоровых клетках. Но в дальнейшем эти же методы позволят изучить генную активность и в патологических клетках у пациентов с самыми разными заболеваниями, чтобы понять механизм поломки на молекулярном уровне.
Профессор Дэвид Хьюм, директор Института Рослина Эдинбургского университета, используя аналогию с самолетом, сказал: «Мы сделали скачок в понимании того, как работают отдельные детали самолета. И узнали довольно много о том, как они взаимодействуют между собой, чтобы в конечном счете понять, как самолет летает».
«Один и тот же набор ДНК содержится во всех клетках организма. Почему же клетки различаются?» — Яндекс Кью
Популярное
Сообщества
БиологияНаукаТеория науки
Попов Петр
150Z»>21 августа 2016 ·
24,4 K
ОтветитьУточнить
Достоверно
Мария Кондратова
Биология
16
Кандидат биологических наук по специальности «молекулярная биология». Специализация:… · 8 янв 2021
Ответом на ваш вопрос является волшебное слово «эпигенетика». Как уже было сказано выше, не все гены активны во всех клетках. Но еще точнее будет сказать, что не все гены даже теоретически МОГУТ быть активны в какой-то определенной клетке.
Один и тот же транскрипционный фактор, может в одних клетках включать и выключать десятки разных генов, а в других не демонстрировать никакого эффекта, потому, что эти гены в данном типе клеток выключены на эпигенетическом у ровне (на уровне хроматина), то есть упакованы так, что транскрипционный фактор до них просто не может добраться.
Подробности гуглятся по словосочетанию «эпигенетический ландшафт», но предупреждаю — чтение не для слабонервных 🙂
2 эксперта согласны
Кирилл Ермин
8 января 2021
Что же, по-вашему, упаковка генов в гетерохроматин является необратимым процессом? Очень сильно сомневаюсь.
То… Читать дальше
Комментировать ответ…Комментировать…
Иван Сусин
1,1 K
микроэкономист, аспирант · 21 авг 2016
ДНК это не «чертеж», где нужно строить все, это скорее «сценарий в театре», где у каждого актера есть все реплики, даже чужие. Клетки состоят из белков и в ДНК лежат полные инструкции всех возможных белков, которые клетка может сделать. Но выбор, что именно сделать — этим занимается не ДНК, а специальные белки, называемые транскрипционными факторами*. Они определяют… Читать далее
Комментировать ответ…Комментировать…
Евгений Зорин
287
Дурак · 21 авг 2016
Это очень интересный вопрос! Мне кажется, предыдущий ответ немножко сумбурный, поэтому отвечу.
Дело в том, что в нашем организме нет ни одной клетки, в которой работали бы все гены сразу.
Во всех клетках нашего организма всегда работает некоторый процент от всего генома. Это — так называемые «гены домашнего хозяйства». Они отвечают за самые важные и необходимые функции… Читать далее
1 эксперт согласен
Иван Сусин
22 августа 2016
«Есть гены, работающие только в эритроцитах.»
В человеческих эритроцитах ядра нет и там вообще гены не «работают», например.
Комментировать ответ…Комментировать…
Вы знаете ответ на этот вопрос?
Поделитесь своим опытом и знаниями
Войти и ответить на вопрос
Удивительная наука: не все наши клетки имеют одинаковую ДНК
| Написано
Моника мая
На уроках биологии мы узнали, что каждая клетка тела имеет одинаковую ДНК.
Будь то клетка сердца, клетка кожи или мышечная клетка — все они считываются с одного и того же генетического чертежа.
Теперь ученые узнают, что это еще не все. Новые исследования клеток головного мозга показывают, что структура их ДНК радикально отличается от ожидаемой. По сравнению с ДНК в других клетках нейроны имеют больше, меньше и перестроенную ДНК. И эти изменения со временем накапливаются.
Геномный мозаицизм увеличивается с течением времени,
потенциально способствуя возрастным
нарушениям головного мозга.
Джерольд Чун, доктор медицинских наук, профессор и старший вице-президент отдела открытия новых лекарств в области неврологии в Институте медицинских открытий Сэнфорда Бернхема и Пребиса (SBP), занимается новаторскими исследованиями этого явления, называемого геномным мозаицизмом. Благодаря своему опыту он был недавно выбран ведущим научным журналом для написания обзора последних исследований по этой теме.
Мы догнали Чуна и спросили: «Какие три вещи мы должны знать о геномном мозаицизме в мозге?» Ниже приведены его ответы.
- Это могло бы объяснить многие медицинские загадки. Почему спорадически возникают мозговые расстройства? Почему дети не болеют болезнью Альцгеймера? Что вызывает аутизм? Заболевания головного мозга являются одной из величайших загадок и медицинских проблем нашего времени. Геномный мозаицизм дает потенциальное объяснение.
- Не только клетки мозга имеют перемешанную ДНК . Наша иммунная система была ранним примером геномного мозаицизма, встречающегося в нормальных клетках. Чтобы защитить нас, наша иммунная система перестраивает ДНК, чтобы создать клетки, которые могут распознавать и удалять нежелательных злоумышленников. Геномный мозаицизм может быть не таким необычным, как мы думали.
- Мы пока не знаем, как возникает этот геномный мозаицизм. Мы знаем, что ДНК в клетках мозга сильно различается. Но мы не знаем, как наши нейроны создают эти различия. Понимание механизма является важным следующим шагом в этой области.
Если мы поймем, как меняется ДНК клеток мозга, мы сможем лучше понять, когда процесс идет наперекосяк и вызывает ли это заболевание.
Если мы поймем, как меняется ДНК клеток мозга, мы сможем лучше понять, когда процесс идет наперекосяк и вызывает ли это заболевание.Раскрытие секретов геномного мозаицизма в мозге может изменить учебники и, что более важно, жизни людей. Основная причина многих заболеваний головного мозга — болезни Альцгеймера, аутизма, шизофрении и многих других — может заключаться в удивительном скремблировании ДНК нашего мозга.
Чтобы получать новости об этой науке и других открытиях SBP, подпишитесь на нашу ежемесячную рассылку.
Похожие сообщения
Джерольд Чун
- Невиданная ранее рекомбинация ДНК в мозге связана с болезнью Альцгеймера
- Итоги года: основные моменты SBP за 2018 год
- Джерольд Чун среди самых цитируемых исследователей мира
геномный мозаицизм
неврология
Скорее всего, вы видели иллюстрацию структуры двойной спирали ДНК и даже изображения хромосом, составляющих геном человека. | ||
Человеческое тело содержит около 100 триллионов клеток, каждая из которых работает вместе в сложной симфонии взаимодействий. За исключением эритроцитов, которые не содержат ни ядра, ни ядерной ДНК, каждая из этих клеток содержит геном человека — цепочку из трех миллиардов букв А, С, Г и Т. И в каждой из 100 триллионов клеток последовательность этих четырех букв или оснований почти одинакова. | ||
Хотя код ДНК от клетки к клетке одинаков, в организме существует множество различных типов клеток, каждая из которых выполняет определенную функцию. Например, длинная узкая мышечная клетка предназначена для сокращения, ветвящийся нейрон предназначен для отправки и получения электрохимических импульсов, а квадратная клетка, выстилающая стенку тонкой кишки, предназначена для фильтрации питательных веществ из пищи. | ||
Эти и другие клетки в организме являются точными копиями своих родительских клеток — они образовались, когда их родительские клетки разделились. Но иногда клеткам необходимо дифференцироваться или стать специализированными. В течение первого месяца эмбрионального развития клетки превращаются в разные формы. Если бы они этого не делали, все клетки тела были бы точно такими же, как единственная яйцеклетка, из которой все они произошли. Это производство новых типов клеток является результатом того, что ДНК «включает» и «выключает» различные участки хранимой в ней информации. | ||
Внутри каждой клетки (кроме эритроцитов) есть ядро — шарообразная структура, отделенная от остальной части клетки мембраной. Ядро действует как центр управления клеткой, регулируя ее рост, метаболизм и размножение. | ||
Геном человека состоит из двух наборов по 23 хромосомы — всего 46 хромосом. Каждый родитель вносит свой набор. Около 97 процентов генома состоит из последовательностей, которые не кодируют белки и не имеют известной функции. В остальной части генома примерно 70 000 генов. | ||
Единственная хромосома, показанная здесь, и хромосомы на предыдущем экране показаны в наиболее уплотненном состоянии — они собираются делиться вместе с клеткой в процессе митоза. Когда мы видим изображения хромосом, мы обычно видим именно это. Причина в том, что хромосомы наиболее заметны в это время. | ||
При окраске на хромосомах видны полосы из светлых и темных участков. | ||
Гены определяют, карие у вас глаза или голубые, длинные пальцы на ногах или короткие, и многое, многое другое. Гены также контролируют все, от того, как ваши клетки растут, до того, как они взаимодействуют друг с другом. Длина одного гена может варьироваться от всего лишь 100 оснований ДНК до нескольких миллионов. | ||
В ядре много ДНК — около шести футов, если бы вы могли распутать ее и растянуть из конца в конец. Чтобы поместить такую длинную молекулу в крошечное пространство ядра, ДНК изгибается и образует петли несколькими способами. | ||
Хроматин относится к белкам, которые помогают организовать длинную молекулу ДНК. Показанный здесь белок поддерживает и организует небольшие петли ДНК. | ||
Теперь мы достаточно увеличили масштаб, чтобы увидеть части нити ДНК. ДНК обернута вокруг гистонов — белковых структур, которые иногда изображают в виде дисков. Гистоны несут небольшой положительный заряд, а ДНК несет небольшой отрицательный заряд. Поскольку противоположные заряды притягиваются, ДНК притягивается к гистонам. Нуклеосома представляет собой сегмент ДНК, обернутый вокруг ядра из гистонов. | ||
Вот вид двойной спирали — объект фотографии 51 Розалинды Франклин. | ||
Молекула ДНК состоит из четырех оснований: аденина (А), цитозина (С), гуанина (Г) и тимина (Т). Каждая ступень лестницы ДНК состоит из двух оснований. В молекуле ДНК А всегда соединяется с Т, а С всегда соединяется с G. | ||
Стороны лестницы ДНК состоят из длинной цепочки молекул сахара и фосфата, к которым присоединены основания. Каждая комбинация сахар-фосфат-основание называется нуклеотидом. | ||
Нуклеотид состоит из 30 атомов плюс или минус несколько, в зависимости от основания. |
Но где и как в хромосомах вписывается знаменитая двойная спираль, и как хромосомы связаны с человеческим телом? Здесь вы отправитесь в крошечный мир ДНК, вплоть до уровня атомов, составляющих единую основу ДНК.