Адам геномының толық нуклеин қышқылдық тізбегі

Кіріспе

Адамдар үшін нуклеин қышқылының толық тізбектері: тақырыпқа техникалық емес кіріспе

Адам геномы – адамдарға тән нуклеин қышқылының толық тізбектері, ол 23 хромосома жұбының құрамындағы ДНК ретінде жасуша ядроларында және жеке митохондриялардағы шағын ДНК молекуласында сақталады. Бұл екісі әдетте ядролық геном және митохондриялық геном деп бөлек қарастырылады. Адам геномдарына ақуызды кодтайтын ДНК тізбектері мен ақуызды кодтамайтын ДНК-ның түрлі топтары кіреді. Соңғысы – рибосомалық РНК, трансфер РНК, рибозималар, шағын ядролық РНК және әртүрлі реттеуші РНК сияқты трансляцияланбаған РНК-ны кодтайтын ДНК-ны қамтитын кең ауқымды санат. Оған промоторлар мен гендік реттеу элементтері, ДНК-ның құрылымдық және репликациялық функцияларын атқаратын аймақтар (мысалы, қаңқа аймақтары, теломерлер, центромерлер, репликацияның басталу орындары), сондай-ақ транспозицияланатын элементтердің көп саны, енгізілген вирустық ДНК, функционалды емес псевдогендер және қарапайым, қайталама реттіліктер де кіреді. Интрондар кодталмаған ДНК-ның үлкен бөлігін құрайды. Бұл кодтамайтын ДНК-ның бір бөлігі псевдогендер сияқты, пайдасыз ДНК болып табылады, бірақ жалпы пайдасыз ДНК мөлшері туралы нақты пікір жоқ. Адам геномының тізбегі 2022 жылы ДНК секвенирлеу арқылы толық анықталғанымен, оның маңызы әлі толыққанды түсініксіз. Көптеген, бірақ барлық емес, гендер жоғары өнімді тәжірибелік және биоинформатикалық әдістердің арқасында анықталды, бірақ олардың ақуыз және РНК өнімдерінің биологиялық функцияларын одан әрі зерттеу үшін көп жұмыс жасау қажет (әсіресе CHM13v2.0 тізбегінің толық аннотациясы әлі жалғасуда).

Адам геномның көлемі

2003 жылы ғалымдар адам геномның 85%-ын тізбектеп алғандықтарын хабарлады, бірақ 2020 жылы кем дегенде 8% әлі де анықталмады. 2021 жылы ғалымдар әйел геномның толық тізбесін (яғни Y хромосомасысыз) тізбектеп алу туралы мәлімдеді. Геном реттегіш ДНК тізбектерінен, LINEs, SINEs, интрондардан және әзірге қандай да бір функциясы анықталмаған тізбектерден тұрады. Адамның Y хромосомасы, басқа жасуша желісінен алынған шамамен 62,5 x 106 негіз жұптарынан тұрады және барлық еркектерде кездеседі, ол 2022 жылдың қаңтарында толық тізбектелді. Стандартты анықтамалық геномның қазіргі нұсқасы GRCh38 деп аталады. p14 (2023 жылдың шілдесі). Ол 22 автосомадан, сондай-ақ X хромосомасының бір данасы мен Y хромосомасының бір данасынан тұрады. Ол шамамен 3,1 миллиард негіз жұбын (3,1 Гб немесе 3,1 x 109 бп) қамтиды. Бұл бірнеше адамның деректеріне негізделген жиынтық геномның көлемін көрсетеді, бірақ гаплоидты хромосома жиынтығындағы ДНК мөлшерінің шамасын жақсы көрсетеді. Көптеген адам жасушалары диплоидты, сондықтан оларда ДНК екі есе көп. 2023 жылы адам пангеномның жобалық анықтамасы жарияланды. Ол әртүрлі этникалық топтардан алынған 47 геномға негізделген. және 0,6% (инделдерді ескергенде), бұл адам мен оның ең жақын туыстары боноболар мен шимпанзелер арасындағы айырмашылықтардан әлдеқайда аз (бір нуклеотидтік өзгерістер 1,1%, ал инделдерді қоса есептегенде 4%).

Молекулалық құрылым және гендер құрамы

Адамның геномдық ұзындығының барлығы нақты бір адамның ДНК тізбегін көрсетпейді. Геном 22 жұп автосомалық хромосомадан және әйелдерде (XX), ал ерлерде (XY) болатын жыныс хромосомаларының 23-ші жұбынан тұрады. Бұл хромосомалардың барлығы жасуша ядросының ішінде орналасқан ірі, сызықты ДНК молекулалары болып табылады. Адам геномының қазіргі нұсқасы автосомалардың әрқайсысының бір-бір көшірмесінен және жыныс хромосомаларының (X және Y) бір-бір көшірмесінен тұрады. ДНК-ның жалпы көлемі 3,1 миллиард негіз жұбын (3,1 Гб) құрайды.

Белокты кодтайтын гендер

Белокты кодтау тізбектері адам геномының ең көп зерттелген және ең жақсы түсінілген құрауышын білдіреді. Бұл тізбектер ақырында барлық адам ақуыздарының өндірілуіне әкеледі, бірақ бірнеше биологиялық процестер (мысалы, ДНК реттелуі және альтернативті пре-мРНҚ тілімі) ақуызды кодтаушы гендер санынан гөрі көптеген ерекше ақуыздардың өндірілуіне мүмкіндік береді. Адам геномында 19 000-ден 20 000-ға дейін белокты кодтаушы гендер бар. Бұл гендерде орташа есеппен 10 интрон болады және интронның орташа көлемі шамамен 6 кб (6000 базалық жұп) құрайды. Экзон тізбектері жетілген мРНҚ-ның екі жағындағы кодтаушы ДНК мен аударылмаған аймақтардан (УТР) тұрады. Кодтаушы ДНК-ның жалпы мөлшері геномның шамамен 1,2 пайызын құрайды. Көптеген адамдар геномды кодталатын және кодталмайтын ДНК-ға бөліп, кодталатын ДНК геномның ең маңызды функционалдық құрауышы болып табылады деген пікірге сүйенеді. Адам геномының шамамен 98-99 пайызы кодталмайтын ДНК-дан тұрады.

Кодтамайтын гендер

Кодталмаған РНК молекулалары жасушаларда, әсіресе ақуыз синтезі мен РНК өңдеудің көптеген реакцияларында маңызды рөл атқарады. Кодталмаған РНК-қа тРНК, рибосомалық РНК, микроРНК, snРНК және басқа кодталмаған РНК гендері жатады, соның ішінде шамамен 60 000 ұзын кодталмаған РНК (lncRNA) бар. Хабарланған lncRNA гендерінің саны артуда және адам геноміндегі нақты саны әлі анықталмаған, бірақ олардың көпшілігі функционалды емес деп есептеледі. Көптеген кодталмаған РНК гендерді реттеу және экспрессияда маңызды элементтер болып табылады. Кодталмаған РНК сондай-ақ эпигенетикаға, транскрипцияға, РНК тігілуіне және трансляциялық механизмге де үлес қосады. РНК-ның генетикалық реттеудегі және аурулардағы рөлі геномдық күрделіліктің жаңа, әлі зерттелмеген деңгейін ашады.

Псевдогендер

Псевдогендер – бұл белокты кодтайтын гендердің белсенді емес көшірмелері, көбінесе геннің дупликациялануы нәтижесінде пайда болады және инактивациялық мутациялардың жиналуы арқылы қызметін жояды. Адам геномындағы псевдогендердің саны шамамен 13 000-ға жетеді, ал кейбір хромосомаларда бұл сан функционалды белокты кодтайтын гендер санымен шамалас. Геннің дупликациялануы – молекулалық эволюция кезінде жаңа генетикалық материалдың пайда болуының маңызды механизмі. Мысалы, иіс сезу рецепторлары гендері отбасы – адам геномындағы псевдогендердің ең жақсы зерттелген мысалының бірі. Бұл ген отбасының 60 пайыздан астамы адамдарда функционалды емес псевдогендер болып табылады. Қарама-қарсылығы, егешқұйрықтың иіс сезу рецепторлары гендер тобындағы гендердің тек 20 пайызы ғана псевдогендер құрайды. Зерттеулер бұл түрге тән қасиет екенін көрсетеді, себебі ең жақын туысқан приматтардың барлығында псевдогендердің саны пропорционалды түрде аз. Бұл генетикалық жаңалық адамның басқа сүтқоректілерге қарағанда иіс сезу қабілетінің нашарлығын түсіндіруге көмектеседі.

Реттеуші ДНК тізбектері

Адам геномында гендік экспрессияны бақылау үшін өте маңызды әртүрлі реттеуші тізбектер бар. Сақтықпен бағалаулар бойынша, олар геномның 8% құрайды, бірақ ENCODE жобасының есептеулері геномның 20-40% реттеуші гендік тізбектер екенін көрсетеді. Кодтамайтын ДНҚ-ның кейбір түрлері – бұл ақуыздарды кодтамайтын, бірақ гендердің қайда және қашан экспрессияланатынын реттейтін генетикалық "көпірлер". Реттеуші тізбектер 1960 жылдардың соңынан бері белгілі. Адам геномындағы реттеуші тізбектерді алғаш рет анықтау рекомбинантты ДНҚ технологиясын пайдаланды. Кейін геномдық тізбектеудің дамуымен осы тізбектерді эволюциялық сақталу арқылы анықтау мүмкін болды. Мысалы, приматтар мен егежейір арасындағы эволюциялық тармақ 70-90 миллион жыл бұрын пайда болды. Сондықтан гендік тізбектерді компьютерлік салыстыру арқылы сақталған кодтамайтын тізбектерді анықтау, гендік реттеу сияқты функцияларындағы маңыздылығын көрсетеді. Басқа геномдар да, мысалы, шаян геномы, осы мақсатта – сақталуды басқару әдістеріне көмектесу үшін тізбектелген. Дегенмен, реттеуші тізбектер эволюция кезінде жоғалып, қайта дамиды, бұл үдеріс жоғары қарқынмен жүреді. 2012 жылдан бастап күш-жігерлер ChIP-Seq әдісімен ДНҚ мен реттеуші ақуыздар арасындағы өзара әрекеттесуді табуға, сондай-ақ ДНҚ гистондармен жиналмаған жерлерді (DNase гиперсенситивті орындары) анықтауға бағытталды. Бұл екеуі де зерттелген жасуша түріндегі белсенді реттеуші тізбектердің орналасқан жерін көрсетеді. Адам геномының шамамен 8% тандемді ДНК массивтерінен немесе тандемді қайталаулардан тұрады – бұл бірнеше жақын орналасқан көшірмелері бар, күрделілігі төмен қайталанатын тізбектер (мысалы, "CAGCAGCAG"). Тандемді тізбектердің ұзындығы екі нуклеотидтен ондаған нуклеотидке дейін өзгеруі мүмкін. Бұл тізбектер өте өзгермелі, тіпті жақын туысқандар арасында да, сондықтан генеалогиялық ДНҚ тестілеу және сот-медициналық ДНҚ талдауы үшін қолданылады. Оннан кем нуклеотидтің қайталанатын тізбектері (мысалы, динуклеотидтің қайталануы (AC)n) микросателлиттер деп аталады. Микросателлиттердің ішінде тринуклеотидтік қайталаулар ерекше маңызды, өйткені олар кейде ақуызды кодтайтын гендердің кодтау аймақтарында кездеседі және генетикалық ауруларға әкелуі мүмкін. Мысалы, Хантингтон ауруы адамның 4-ші хромосомасындағы Хантингтин генінің ішінде тринуклеотидтік қайталану (CAG)n кеңеюінен туындайды. Теломерлер (сызықтық хромосомалардың ұштары) микросателлит гексануклеотидтік қайталанумен аяқталады (TTAGGG)n. Ұзын тізбектердің тандемдік қайталаулары (10-60 нуклеотид ұзындығындағы қайталанатын тізбектер массиві) минисателлиттер деп аталады. Транспозицияланатын генетикалық элементтер, яғни, хост геномның басқа жерлеріне өздерінің көшірмелерін көшіріп, енгізе алатын ДНҚ тізбектері, адам геномында көп кездесетін құрамдас бөлігі болып табылады. Ең көп таралған транспозондық Алу тізбегінің шамамен 50 000 белсенді көшірмесі бар және ол интрагендік және интергендік аймақтарға енгізілуі мүмкін. Басқа бір тізбек, LINE 1, әр геномға 100 белсенді көшірмесі бар (сан әр адамда әр түрлі). Ескі транспозондардың функционалды емес қалдықтарымен бірге олар жалпы адам ДНК-ның жартысынан астамын құрайды. Кейде "саптаушы гендер" деп аталатын транспозондар адам геномын қалыптастыруда маңызды рөл атқарды. Бұл тізбектердің кейбіреулері эндогендік ретровирустарды білдіреді – бұл геномға тұрақты түрде кіріктірілген және қазір кейінгі ұрпаққа берілетін вирустық тізбектердің ДНК көшірмелері. Адам геномындағы мобильді элементтерді LTR ретротранспозондарына (жалпы геномның 8,3% -ы), SINE-дарға (жалпы геномның 13,1% -ы), соның ішінде Alu элементтеріне, LINE-дарға (жалпы геномның 20,4% -ы), SVA-ларға (SINE VNTR Alu) және II сыныптағы ДНК транспозондарына (жалпы геномның 2,9% -ы) жіктеуге болады.

The human genome has many different regulatory sequences which are crucial to controlling gene expression. Conservative estimates indicate that these sequences make up 8% of the genome, however extrapolations from the ENCODE project give that 20 40% of the genome is gene regulatory sequence. Some types of non coding DNA are genetic "switches" that do not encode proteins, but do regulate when and where genes are expressed (called enhancers). Regulatory sequences have been known since the late 1960s. The first identification of regulatory sequences in the human genome relied on recombinant DNA technology. Later with the advent of genomic sequencing, the identification of these sequences could be inferred by evolutionary conservation. The evolutionary branch between the primates and mouse, for example, occurred 70–90 million years ago. So computer comparisons of gene sequences that identify conserved non coding sequences will be an indication of their importance in duties such as gene regulation. Other genomes have been sequenced with the same intention of aiding conservation guided methods, for exampled the pufferfish genome. However, regulatory sequences disappear and re evolve during evolution at a high rate. As of 2012, the efforts have shifted toward finding interactions between DNA and regulatory proteins by the technique ChIP Seq, or gaps where the DNA is not packaged by histones (DNase hypersensitive sites), both of which tell where there are active regulatory sequences in the investigated cell type. About 8% of the human genome consists of tandem DNA arrays or tandem repeats, low complexity repeat sequences that have multiple adjacent copies (e. g. "CAGCAGCAG "). The tandem sequences may be of variable lengths, from two nucleotides to tens of nucleotides. These sequences are highly variable, even among closely related individuals, and so are used for genealogical DNA testing and forensic DNA analysis. Repeated sequences of fewer than ten nucleotides (e. g. the dinucleotide repeat (AC)n) are termed microsatellite sequences. Among the microsatellite sequences, trinucleotide repeats are of particular importance, as sometimes occur within coding regions of genes for proteins and may lead to genetic disorders. For example, Huntington's disease results from an expansion of the trinucleotide repeat (CAG)n within the Huntingtin gene on human chromosome 4. Telomeres (the ends of linear chromosomes) end with a microsatellite hexanucleotide repeat of the sequence (TTAGGG)n.

Tandem repeats of longer sequences (arrays of repeated sequences 10–60 nucleotides long) are termed minisatellites. Transposable genetic elements, DNA sequences that can replicate and insert copies of themselves at other locations within a host genome, are an abundant component in the human genome. The most abundant transposon lineage, Alu, has about 50,000 active copies, and can be inserted into intragenic and intergenic regions. One other lineage, LINE 1, has about 100 active copies per genome (the number varies between people). Together with non functional relics of old transposons, they account for over half of total human DNA. Sometimes called "jumping genes", transposons have played a major role in sculpting the human genome. Some of these sequences represent endogenous retroviruses, DNA copies of viral sequences that have become permanently integrated into the genome and are now passed on to succeeding generations. Mobile elements within the human genome can be classified into LTR retrotransposons (8.3% of total genome), SINEs (13.1% of total genome) including Alu elements, LINEs (20.4% of total genome), SVAs (SINE VNTR Alu) and Class II DNA transposons (2.9% of total genome).

Жәндік ДНК

Геномдағы "функционалдық" элементтің не екені туралы жалпы пікір қалыптаспаған, себебі генетиктер, эволюциялық биологтар және молекулалық биологтар әртүрлі анықтамалар мен әдістерді қолданады. Терминологияның дұрыс түсініксіздігіне байланысты түрлі бағыттар пайда болды. Эволюциялық анықтамалар бойынша, "функционалдық" ДНҚ, кодталатын немесе кодталмайтын болса да, организмнің тіршілікке бейімделуіне үлес қосады, сондықтан теріс эволюциялық таңдау арқылы сақталады, ал "функционалдық емес" ДНҚ организмге ешқандай пайда әкелмейді, демек бейтарап таңдау қысымына ұшырайды. ДНҚ-ның осы түрі "қоқыс ДНҚ" деп сипатталған. Генетикалық анықтамалар бойынша, "функционалдық" ДНҚ – ДНҚ сегменттерінің фенотип арқылы қалай көрініс табатынымен байланысты, ал "функционалдық емес" – организмдегі функцияның жоғалу әсерімен байланысты. Геномның 80%-ға дейін функционалды болуы мүмкін. Сонымен қатар, болашақта "қоқыс ДНҚ" белгілі бір функцияны қабылдауы және осылайша эволюцияда рөл атқаруы мүмкін, бірақ мұндай жағдай өте сирек кездеседі. "Celera Corporation" компаниясымен бірге, Адам геном жобасының тізбектеу жұмысы 2004 жылы геном тізбегінің жобасы жарияланған кезде аяқталды, нәтижесінде тізбекте 341 ғана үзіліс қалды, олар сол кездегі технологиямен тізбектеп алу мүмкін болмаған, жоғары қайталанатын және басқа ДНҚ-ны білдіреді. Бұл деректер бүкіл әлемде биомедициналық ғылымда, антропологияда, сот медицинасында және ғылымның басқа салаларында қолданылады. Мұндай геномдық зерттеулер ауруларды диагностикалау және емдеудегі жетістіктерге, сондай-ақ биологияның көптеген салаларында, оның ішінде адам эволюциясында жаңа түсініктерге әкелді. 2018 жылға қарай гендердің жалпы саны кем дегенде 46 831-ге дейін өсті, сонымен қатар тағы 2300 микроРНК гені табылды. 2018 жылы жүргізілген халықты зерттеуде анықтамалық тізбекке кірмеген адам геномның қосымша 300 миллион базасы анықталды. Толық геномдық тізбекті алудың алдында адам гендерінің саны 50 000-ден 140 000-ға дейін бағаланды (кейде бұл бағалаулар ақуызды кодтамайтын гендерді қамтиды ма деген түсініксіздік болды). Геномдық тізбектің сапасы мен ақуызды кодтайтын гендерді анықтау әдістері жақсарған сайын, ақуызды кодтайтын гендердің саны 19 000–20 000-ға дейін төмендеді. 2022 жылы Теломерден теломерге (T2T) консорциумы адам әйелінің геномның толық тізбесін жариялады. Бұрын тізбектелмеген бөліктерінде инфекцияларға бейімделуге және аман қалуға көмектесетін иммундық жауап гендері, сондай-ақ дәрі-дәрмектерге жауаптылықты болжау үшін маңызды гендер бар. Адам геномның толық тізбесі жеке организм ретінде адамның қалыптасуын және оның басқа адамдар мен түрлерден қалай ерекшеленетінін жақсырақ түсінуге мүмкіндік береді. 2022 жылдың қаңтарында Y хромосомасымен бірге толық геном жарияланды. 2023 жылы адам пангеномға қатысты жобалық анықтама жарияланды.

There is no consensus on what constitutes a "functional" element in the genome since geneticists, evolutionary biologists, and molecular biologists employ different definitions and methods. Due to the ambiguity in the terminology, different schools of thought have emerged. In evolutionary definitions, "functional" DNA, whether it is coding or non coding, contributes to the fitness of the organism, and therefore is maintained by negative evolutionary pressure whereas "non functional" DNA has no benefit to the organism and therefore is under neutral selective pressure. This type of DNA has been described as junk DNA In genetic definitions, "functional" DNA is related to how DNA segments manifest by phenotype and "nonfunctional" is related to loss of function effects on the organism. to up to 80% of the genome is likely functional. It is also possible that junk DNA may acquire a function in the future and therefore may play a role in evolution, but this is likely to occur only very rarely. and Celera Corporation. Completion of the Human Genome Project's sequencing effort was announced in 2004 with the publication of a draft genome sequence, leaving just 341 gaps in the sequence, representing highly repetitive and other DNA that could not be sequenced with the technology available at the time. These data are used worldwide in biomedical science, anthropology, forensics and other branches of science. Such genomic studies have led to advances in the diagnosis and treatment of diseases, and to new insights in many fields of biology, including human evolution. By 2018, the total number of genes had been raised to at least 46,831, plus another 2300 micro RNA genes. A 2018 population survey found another 300 million bases of human genome that was not in the reference sequence. Prior to the acquisition of the full genome sequence, estimates of the number of human genes ranged from 50,000 to 140,000 (with occasional vagueness about whether these estimates included non protein coding genes). As genome sequence quality and the methods for identifying protein coding genes improved, the count of recognized protein coding genes dropped to 19,000–20,000. In 2022 the Telomere to Telomere (T2T) consortium reported the complete sequence of a human female genome, The previously unsequenced parts contain immune response genes that help to adapt to and survive infections, as well as genes that are important for predicting drug response. The completed human genome sequence will also provide better understanding of human formation as an individual organism and how humans vary both between each other and other species. there remained hundreds of gaps, with about 5–10% of the total sequence remaining undetermined. The missing genetic information was mostly in repetitive heterochromatic regions and near the centromeres and telomeres, but also some gene encoding euchromatic regions. There remained 160 euchromatic gaps in 2015 when the sequences spanning another 50 formerly unsequenced regions were determined. Only in 2020 was the first truly complete telomere to telomere sequence of a human chromosome determined, namely of the X chromosome. The first complete telomere to telomere sequence of a human autosomal chromosome, chromosome 8, followed a year later. The complete human genome (without Y chromosome) was published in 2021, while with Y chromosome in January 2022. In 2023, a draft human pangenome reference was published.

Адамның генетикалық өзгеруін өлшеу

Адам генетикалық өзгеруін зерттеулердің көпшілігі жалғыз нуклеотидтік полиморфизмдерге (ЖНП) бағытталған, олар хромосома бойымен жеке негіздердің орны ауысуы болып табылады. Көптеген талдаулар ЖНП-лер эухроматикалық адам геномында орташа есеппен 1000 негіз жұбына 1 реттен кездеседі деп есептейді, бірақ олар біркелкі тығыздықпен таралмайды. Осыдан "біздің барлығымыз, нәсілімізге қарамастан, генетикалық тұрғыдан 99,9% бірдейміз" деген кең таралған мәлімдеме туындайды, бірақ көптеген генетиктер бұл тұжырымды кейбір шектеулермен қарастырады. Мысалы, геномның әлдеқайда үлкен бөлігі қазір көшірме санының өзгеруімен байланысты деп есептеледі. Халықаралық HapMap жобасы адам геномындағы ЖНП түрлерін тізімдеуге бағытталған кең ауқымды ынтымақтастық жұмысын жүргізіп жатыр. Геномдық локустар мен кейбір шағын қайталанатын тізбектердің ұзындығы адамдар арасында өте өзгермелі, бұл ДНК саусақ іздері және ДНК-мен әкелікті анықтау технологияларының негізі болып табылады. Адам геномының бірнеше жүз миллион негіз жұбын құрайтын гетерохроматикалық бөліктері де адам популяциясында өте өзгермелі деп саналады (олар өте қайталанатын және өте ұзын болғандықтан, қазіргі технологиямен дәл реттеп алу мүмкін емес). Бұл аймақтарда гендердің саны аз, және қайталанулардың немесе гетерохроматиннің әдеттегі өзгеруінен туындайтын маңызды фенотиптік әсердің болуы белгісіз. Гаметалық ұрықтық жасушалардағы ең ірі геномдық мутациялар, көбінесе, тірі ембриондарға алып келмейді; алайда, көптеген адам аурулары геномның кең ауқымды аномалияларымен байланысты. Даун синдромы, Тернер синдромы және басқа да бірқатар аурулар толық хромосомалардың бөлінуінің бұзылуынан туындайды. Қатерлі жасушаларда хромосомалар мен хромосомалық қолдардың анеуплоидиясы жиі кездеседі, бірақ анеуплоидия мен қатерлі ісік арасындағы себеп-салдар байланысы анықталған жоқ.

Адамның геномдық өзгеруін картаға түсіру

Геномдық тізбек геномдағы әрбір ДНК базасының ретін көрсетеді, ал геном картасы – оның маңызды нүктелерін анықтайды. Геном картасы геномдық тізбектен кем детальды және геномды зерттеуге көмектеседі. Вариация картасының мысалы – Халықаралық HapMap жобасы дамытып жатқан HapMap. HapMap – адам геномның гаплотип картасы, «адам ДНК тізбегінің жиі кездесетін өзгеріс үлгілерін сипаттайды». Ол геномдағы шағын масштабты өзгерістердің үлгілерін тіркеп сақтайды, олар бір ДНК әрпінен немесе базасынан тұрады. Зерттеушілер 2008 жылдың мамыр айында «Nature» журналында адам геномның ірі масштабты құрылымдық өзгерістерінің алғашқы тізбектелген картасын жариялады. Ірі масштабты құрылымдық өзгерістер – бұл адамдар арасындағы геномдағы бірнеше мыңнан бірнеше миллионға дейінгі ДНК базаларының айырмашылықтары; кейбіреулері геномдық тізбектің бөліктерінің жоғалуы немесе қосылуы, ал басқалары тізбек бөліктерінің қайта орналасуы болып көрінеді. Бұл өзгерістерге жеке адамдардың белгілі бір геннің көшірмелерінің санындағы айырмашылықтар, жойылулар, транслокациялар және инверсиялар жатады.

Құрылымдық өзгерісі

Құрылымдық өзгерістер – бұл нүктелік мутациялардан айырмасы, адам геномының үлкен сегменттеріне әсер ететін генетикалық варианттар. Көбінесе құрылымдық варианттар (СВ) 50 негіз жұбы (bp) немесе одан да көп көлемдегі варианттар ретінде анықталады, мысалы, жойылулар, дупликациялар, енгізілулер, инверсиялар және басқа да қайта құрылымданулар. Құрылымдық варианттардың шамамен 90% кодтамайтын жойылулар, бірақ көптеген адамдарда мыңнан астам мұндай жойылулар кездеседі; жойылулардың көлемі ондаған негіз жұбынан он мыңдаған bp-ге дейін жетеді. Орташа есеп бойынша, адамдар кодтау аймақтарын өзгертетін ~3 сирек кездесетін құрылымдық вариантты, мысалы, экзондарды жоюды көтереді. Адамдардың шамамен 2% өте сирек кездесетін мегабазалық масштабтағы құрылымдық варианттарды, әсіресе қайта құрылымдануларды алып жүреді. Яғни, миллиондаған негіз жұбы хромосома ішінде кері айналуы мүмкін; өте сирек дегеніміз, олар тек жеке адамдарда немесе олардың отбасы мүшелерінде ғана табылады, демек, жақында пайда болған. Кодтамайтын тізбектегі өзгерістер және кодтайтын тізбектегі синонимді өзгерістер, әдетте, синонимді емес өзгерістерге қарағанда жиі кездеседі, бұл аминқышқылының сәйкестігін анықтайтын позициялардағы әртүрлілікті азайтатын табиғи іріктеу қысымының күштілігін көрсетеді. Транзициялық өзгерістер трансверсиялардан жиі кездеседі, ал CpG динуклеотидтері ең жоғары мутация деңгейін көрсетеді, бұл деаминация нәтижесінде туындаған болуы мүмкін.

Жеке геномдар

Жеке геномдық тізбек – бір адамның ДНК-сын құрайтын химиялық негіз жұптарының (шамамен) толық тізбегі. Медициналық емнің әр түрлі адамдарға әсері әр түрлі болғандықтан, генетикалық өзгерістерге байланысты, мысалы, бір нуклеотидтік полиморфизмдерге (СНП), жеке геномдарды талдау жеке генотиптерге негізделген жеке медициналық емге алып келуі мүмкін. Алғашқы жеке геномдық тізбек 2007 жылы Крейг Вентер анықтады. Адам геномдық жобасында ДНК үлгілерін ұсынған еріктілердің жеке басын қорғау үшін жеке геномдар тізбектелмеді. Бұл тізбек әртүрлі популяциядан алынған бірнеше еріктінің ДНК-сынан құралды. Алайда, Вентер басқарған Celera Genomics геномдық тізбектеу жұмысының басында бір адамның ДНК-сын пайдалануға көшу туралы шешім қабылданды, ол кейіннен Вентердің өзі екендігі анықталды. Осылайша, 2000 жылы жарияланған Celera адам геномдық тізбегі негізінен бір адамның геномдық тізбегі болды. Алғашқы композиттік деректерді ауыстыру және алғашқыда есептелген гаплоидтық тізбекке қарағанда хромосомалардың екі жиынтығын көрсететін диплоидтық тізбекті анықтау, бірінші жеке геномды жариялауға мүмкіндік берді. 2008 жылдың сәуірінде Джеймс Уотсонның геномдық тізбегі де аяқталды. 2009 жылы Стивен Куэйк өзінің жеке жобалаған секвенсері – Heliscope-тан алынған геномдық тізбегін жариялады. Стэнфорд командасы, Юан Эшли басшылығымен, Куэйк геномдық тізбегінде адам геномдарын медициналық тұрғыдан түсіндірудің негізін жариялады және тұңғыш рет бүкіл геномға негізделген медициналық шешімдер қабылдады. Бұл команда бұл тәсілді Уэст отбасына дейін кеңейтті, ол Illumina-ның жеке геномдық тізбектеу бағдарламасы аясында тізбектелген алғашқы отбасы болды. Содан бері жүздеген жеке геномдық тізбектер жарияланды, оның ішінде Десмонд Туту мен палеоэскимоның геномдық тізбектері де бар. 2012 жылы 1092 геномның ішінде екі отбасылық трионың геномдық тізбектері жарияланды. Жеке геном жобасы (2005 жылы басталды) геномдық тізбектер мен тиісті медициналық фенотиптерді жұртшылыққа қолжетімді ететін сирек жобалардың бірі. Жеке геномдарды тізбектеу бұрын бағаланбаған генетикалық күрделіліктің жаңа деңгейін ашты. Жеке геномика SNP-ге ғана емес, сонымен қатар құрылымдық өзгерістерге байланысты адам геномдарының маңызды әртүрлілігін анықтауға көмектесті. Алайда, осындай білімді ауруларды емдеуде және медицина саласында қолдану әлі бастапқы кезеңде. Экзома тізбектеу генетикалық ауруларды диагностикалауға көмектесетін құрал ретінде кеңінен танымал болды, өйткені экзома геномдық тізбектің барлық 1% құрайды, бірақ ауруларға елеулі үлес қосатын мутациялардың шамамен 85% құрайды.

A personal genome sequence is a (nearly) complete sequence of the chemical base pairs that make up the DNA of a single person. Because medical treatments have different effects on different people due to genetic variations such as single nucleotide polymorphisms (SNPs), the analysis of personal genomes may lead to personalized medical treatment based on individual genotypes. The first personal genome sequence to be determined was that of Craig Venter in 2007. Personal genomes had not been sequenced in the public Human Genome Project to protect the identity of volunteers who provided DNA samples. That sequence was derived from the DNA of several volunteers from a diverse population. However, early in the Venter led Celera Genomics genome sequencing effort the decision was made to switch from sequencing a composite sample to using DNA from a single individual, later revealed to have been Venter himself. Thus the Celera human genome sequence released in 2000 was largely that of one man. Subsequent replacement of the early composite derived data and determination of the diploid sequence, representing both sets of chromosomes, rather than a haploid sequence originally reported, allowed the release of the first personal genome. In April 2008, that of James Watson was also completed. In 2009, Stephen Quake published his own genome sequence derived from a sequencer of his own design, the Heliscope. A Stanford team led by Euan Ashley published a framework for the medical interpretation of human genomes implemented on Quake's genome and made whole genome informed medical decisions for the first time. That team further extended the approach to the West family, the first family sequenced as part of Illumina's Personal Genome Sequencing program. Since then hundreds of personal genome sequences have been released, including those of Desmond Tutu, and of a Paleo Eskimo. In 2012, the whole genome sequences of two family trios among 1092 genomes was made public. The Personal Genome Project (started in 2005) is among the few to make both genome sequences and corresponding medical phenotypes publicly available. The sequencing of individual genomes further unveiled levels of genetic complexity that had not been appreciated before. Personal genomics helped reveal the significant level of diversity in the human genome attributed not only to SNPs but structural variations as well. However, the application of such knowledge to the treatment of disease and in the medical field is only in its very beginnings. Exome sequencing has become increasingly popular as a tool to aid in diagnosis of genetic disease because the exome contributes only 1% of the genomic sequence but accounts for roughly 85% of mutations that contribute significantly to disease.

Адамдар нокауты

Адамдарда геннің нокауттары гетерозиготалық немесе гомозиготалық жолмен ген функциясының жоғалуы түрінде табиғи түрде пайда болады. Бұл нокауттарды, әсіресе гетерогенді генетикалық фонда, ажырату қиын. Сонымен қатар, оларды табу да қиын, себебі олар сирек кездеседі. Қандастық байланысы жоғары халықтар, атап айтқанда, бірінші туысқандар арасында некелер жиі болатын елдерде, гомозиготалық ген нокауттарының ең жоғары деңгейі байқалады. Мұндай халықтарға Пәкістан, Исландия және Амиш халқы жатады. Ата-аналық туыстығы жоғары бұл топтар адамдардағы гендердің қызметін анықтауға көмектескен гендік нокауттарды зерттеу нысаны болды. Нақты нокауттарды анықтау арқылы, ғалымдар осы адамдардың фенотиптік талдауларын нокаутталған генді сипаттау үшін пайдалана алады. Гендердегі нокауттар генетикалық ауруларды тудыруы, пайдалы әсерге ие болуы немесе тіпті ешқандай фенотиптік өзгеріске алып келмеуі мүмкін. Дегенмен, нокауттың фенотиптік әсерін адамдарда анықтау қиындық тудыруы мүмкін. Нокауттарды сипаттау және клиникалық тұрғыдан түсіндірудегі қиындықтар ДНК варианттарын анықтаудағы келеңсіздіктер, ақуыз функциясының бұзылуын анықтау (анықтамалық мәліметтерді қосу) және мозаицизмнің фенотипке қаншалықты әсер ететінін ескеруді қамтиды.

Эволюция

Сүтқоректілердің геномдарын салыстырмалы зерттеулер көрсеткендей, шамамен 200 миллион жыл бұрын қазіргі түрлердің арасындағы айырмашылықтар пайда болғаннан бері адам геномының шамамен 5% эволюция арқылы сақталған, және оның ішінде гендердің көп бөлігі қамтылған. Шымпанзе геномының тікелей тізбектемелік салыстыруда адам геномынан 1,23%-ға ерекшеленетіні анықталды. Бұл көрсеткіштің шамамен 20%-ы әр түр ішіндегі вариациямен түсіндіріледі, нәтижесінде адамдар мен шимпанзелер арасындағы ортақ гендердегі тізбектелген айырмашылық шамамен 1,06%-ты құрайды. Алайда, бұл нуклеотидтік айырмашылық, әр геномның ортақ емес бөлігімен, соның ішінде адамға немесе шимпанзеге тән 6%-ға жуық функционалдық гендермен салыстырғанда өте шағын. Яғни, адамдар мен шимпанзелер арасындағы байқалатын айқын айырмашылықтар, ортақ гендердегі ДНК тізбегінің өзгеруінен гөрі, гендер санының, функциясының және экспрессиясының геномдық деңгейдегі вариациясына байланысты болуы мүмкін. Шындығында, тіпті адамдардың ішінде де, геномның 5-15%-ын құрайтын көшірме санының вариациясы (CNV) бұрын бағаланбаған деңгейде екені анықталды. Басқаша айтқанда, адамдар арасында 500 000 000-нан астам ДНК жұптарының айырмашылығы болуы мүмкін, олардың кейбіреуі белсенді гендер, ал кейбіреуі белсенді емес немесе әртүрлі деңгейде белсенді. Бұл жаңалықтың толық маңызы әлі анықтала қоймады. Орташа есепте, адамның протеин кодтайтын типтік гені шимпанзе ортологынан тек екі аминқышқылының алмасуымен ғана ерекшеленеді; адам гендерінің үштен бірі шимпанзе ортологтарымен бірдей протеин трансляциясына ие. Екі геном арасындағы маңызды айырмашылық – адамның 2-ші хромосомасы, ол шимпанзелердің 12-ші және 13-ші хромосомаларының бірігуіне тең (кейіннен сәйкесінше 2А және 2В хромосомалары деп аталады). Адамдар эволюцияның соңғы кезеңдерінде иіс сезу рецепторларының жоғалуын бастан өткерді, бұл көптеген басқа сүтқоректілермен салыстырғанда иіс сезу қабілетіміздің нашарлығын түсіндіреді. Эволюциялық дәлелдер, адамдар мен бірнеше басқа примат түрлерінде түсті көру қабілетінің пайда болуы иіс сезу қажеттілігін азайтқанын көрсетеді. 2016 жылдың қыркүйегінде ғалымдар адам ДНК-сының генетикалық зерттеулеріне сүйене отырып, бүгінгі таңда Африка емес, әлемнің барлық халқы 50 000 мен 80 000 жыл бұрын Африкадан шыққан жалғыз популяцияның ұрпақтары екенін хабарлады.

Comparative genomics studies of mammalian genomes suggest that approximately 5% of the human genome has been conserved by evolution since the divergence of extant lineages approximately 200 million years ago, containing the vast majority of genes. The published chimpanzee genome differs from that of the human genome by 1.23% in direct sequence comparisons. Around 20% of this figure is accounted for by variation within each species, leaving only ~1.06% consistent sequence divergence between humans and chimps at shared genes. This nucleotide by nucleotide difference is dwarfed, however, by the portion of each genome that is not shared, including around 6% of functional genes that are unique to either humans or chimps. In other words, the considerable observable differences between humans and chimps may be due as much or more to genome level variation in the number, function and expression of genes rather than DNA sequence changes in shared genes. Indeed, even within humans, there has been found to be a previously unappreciated amount of copy number variation (CNV) which can make up as much as 5–15% of the human genome. In other words, between humans, there could be +/ 500,000,000 base pairs of DNA, some being active genes, others inactivated, or active at different levels. The full significance of this finding remains to be seen. On average, a typical human protein coding gene differs from its chimpanzee ortholog by only two amino acid substitutions; nearly one third of human genes have exactly the same protein translation as their chimpanzee orthologs. A major difference between the two genomes is human chromosome 2, which is equivalent to a fusion product of chimpanzee chromosomes 12 and 13. (later renamed to chromosomes 2A and 2B, respectively). Humans have undergone an extraordinary loss of olfactory receptor genes during our recent evolution, which explains our relatively crude sense of smell compared to most other mammals. Evolutionary evidence suggests that the emergence of color vision in humans and several other primate species has diminished the need for the sense of smell. In September 2016, scientists reported that, based on human DNA genetic studies, all non Africans in the world today can be traced to a single population that exited Africa between 50,000 and 80,000 years ago.

Митохондриялық ДНК

Адам митохондриялық ДНК-сы генетиктер үшін зор қызығушылық тудырады, себебі ол митохондриялық аурулардың себебінде маңызды рөл атқарады. Сонымен қатар, ол адам эволюциясы туралы мәліметтер береді; мысалы, адам митохондриялық геномындағы өзгерістерді талдау нәтижесінде барлық адамдардың аналық желісі бойынша ортақ ата-бабаның болғаны туралы болжам жасалды (Митохондриялық Еваға қараңыз). Көшіру қателерін тексеру жүйесінің болмауына байланысты, митохондриялық ДНК (мтДНК) ядролық ДНК-ға қарағанда тезірек өзгеріске ұшырайды. Бұл 20 есе жоғары мутация деңгейі мтДНК-ны аналық шежірені дәлірек анықтау үшін пайдалануға мүмкіндік береді. Халықтардың мтДНК-сын зерттеулер ежелгі көші-қон жолдарын анықтауға көмектесті, мысалы, Сибирьден келген жергілікті американдықтардың немесе Оңтүстік-Шығыс Азиядан келген полинезиялықтардың қоныс аударуын. Бұл әдіс сондай-ақ, тек аналық желі арқылы мұрагерлікке берілген еуропалық гендердің араласуында неандертальдық ДНК-ның іздері жоқ екенін көрсету үшін де қолданылды. мтДНК-ның толық немесе толық емес мұрагерлік принципіне байланысты, бұл нәтиже (неандертальдық мтДНК-ның іздерінің жоқтығы) неандертальдық тектің үлкен үлесі болмаса немесе сол мтДНК-ға күшті оң таңдау болмаса, болуы мүмкін еді. Мысалы, 5 буынға қайтқанда, адамның 32 ата-бабасының тек біреуі ғана оның мтДНК-сына үлес қосады, сондықтан егер осы 32 ата-бабаның біреуі таза неандертальдық болса, онда адамның аутосомалық ДНК-сының шамамен 3% неандертальдық тектен болар еді, бірақ оның неандертальдық мтДНК-ның іздері жоқ болу ықтималдығы шамамен 97% құрайды.

Эпигеном

Эпигенетика адам геномының хроматин құрылымы, гистон модификациялары және ДНК метилирленуі сияқты негізгі ДНК тізбегінен асып түсетін және ген экспрессиясын, геном көшірмесін және басқа жасушалық процестерді реттеуде маңызды болатын әртүрлі ерекшеліктерін сипаттайды. Эпигенетикалық маркерлер белгілі бір гендердің транскрипциясын күшейтеді немесе әлсіретеді, бірақ ДНК нуклеотидтерінің тікелей реттілігіне әсер етпейді. ДНК метилирленуі – ген экспрессиясын эпигенетикалық түрде бақылаудың маңызды түрі және эпигенетикада ең көп зерттелген тақырыптардың бірі. Даму барысында адамның ДНК метилирлеу профилі айтарлықтай өзгерістерге ұшырайды. Ерте дамыған герм жасушаларында геномда метилирлеу деңгейі өте төмен болады. Бұл төмен деңгейлер көбінесе белсенді гендерді көрсетеді. Даму процесінде ата-аналық импринтинг таңбалары метилирлеу белсенділігінің жоғарылауына алып келеді. Эпигенетикалық үлгілерді бір адамның ішіндегі тіндер арасында, сондай-ақ әртүрлі адамдар арасында анықтауға болады. Эпигенетикалық жағдайымен ғана ерекшеленетін бірдей гендер эпиаллельдер деп аталады. Эпиаллельдерді үш санатқа бөлуге болады: жеке тұлғаның генотипімен тікелей анықталатындар, генотипке ықпал ететіндер және генотипке толығымен тәуелсіз. Эпигеномға қоршаған орта факторлары да маңызды әсер етеді. Диета, токсиндер және гормондар эпигенетикалық жағдайға әсер етеді. Диеталық түзетулерге қатысты зерттеулер метил жетіспейтін диеталардың эпигеномның гипометилденуімен байланысты екенін көрсетті. Мұндай зерттеулер эпигенетиканы қоршаған орта мен геном арасындағы маңызды байланыс ретінде орнықтырады.