Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Адамдар арасындағы ДНК-ның қайталануы. Көшірме санының өзгеруі (CNV) – геномның бөліктерінің қайталануымен сипатталатын құбылыс, онда геномдағы қайталану саны адамдар арасында әртүрлі болады. Көшірме санының өзгеруі – құрылымдық өзгерістің бір түрі, атап айтқанда, бұл негіз жұптарының көп санына әсер ететін дупликация немесе жойылу оқиғасының түрі. Адам геномының шамамен үштен екі бөлігі қайталанулардан тұруы мүмкін, ал адам геномының 4,8–9,5% көшірме санының өзгеруі ретінде жіктелуі мүмкін. Сүтқоректілерде көшірме санының өзгеруі популяциядағы қажетті айырмашылықтарды және аурудың фенотипін анықтауда маңызды рөл атқарады, сондықтан осы қайталанулардың фенотипке ықпалы болуы мүмкін.
Repeated DNA variation between individuals
Copy number variation (CNV) is a phenomenon in which sections of the genome are repeated and the number of repeats in the genome varies between individuals. Copy number variation is a type of structural variation: specifically, it is a type of duplication or deletion event that affects a considerable number of base pairs. Approximately two thirds of the entire human genome may be composed of repeats and 4.8–9.5% of the human genome can be classified as copy number variations. In mammals, copy number variations play an important role in generating necessary variation in the population as well as disease phenotype. hence the likely effects of these repeats on phenotype.
Түрлері мен хромосомалық қайта орналасулары
Көшірме санының өзгеруінің ең белгілі мысалы – Ханттингтон ауруына шақыратын неврологиялық бұзылысқа жауапты хентингтин геніндегі CAG негіз жұптарының тринуклеотидтік қайталануы. Осы жағдайда, егер CAG тринуклеотидінің тринуклеотидтік қайталануы 36 реттен астам қайталанса, адамда Ханттингтон ауруы дамуы мүмкін және ол өз балаларына берілуі ықтимал. Мұндай қысқа қайталанулар көбінесе репликация кезінде полимеразаның қателіктеріне байланысты деп есептеледі, оның ішінде полимеразаның сығанақтауы, шаблонды ауыстыру және жіптің ауысуы, бұл туралы кейін егжей-тегжейлі айтылатын болады. Бұл көшірме санының өзгеруінің қысқа өлшемі полимеразада қателерге әкелуі мүмкін, себебі осы қайталанатын аймақтар полимераза тарапынан дұрыс танылмауы мүмкін, ал қайталанған аймақтар қайтадан көбейіп, қайталанудың қосымша көшірмелеріне әкелуі мүмкін. Сонымен қатар, егер бұл тринуклеотидтік қайталанулар геннің кодтау бөлігінде бірдей оқу фреймінде орналасса, онда бірдей аминқышқылының ұзақ тізбегі пайда болуы мүмкін, бұл клеткада ақуыз жиынтығын құруы мүмкін. AMY1 генінің көшірме санын арттыруға немесе азайтуға мүмкіндік беретін нақты механизм әлі де талқыланып жатыр, бірақ кейбір болжамдар гомолог емес ұштардың қосылуы немесе микрогомология арқылы араласқан ұштардың қосылуы осы геннің толық қайталануына жауапты болуы мүмкін екенін көрсетеді. Көшірме санының өзгеруінің құрылымдық архитектурасы тұрғысынан алғанда, зерттеулер геномда көшірме санының өзгеруі төрт есе артық байқалатын ыстық нүктелерді анықтады. Бірақ, жақында жүргізілген геномдық зерттеулер оған қарсы нәтижелер көрсетті. Көшірме санының өзгеруі көбінесе тек шағын тандемді қайталанулармен немесе нақты генетикалық аурулармен байланысты болғандықтан, көшірме санының өзгеруі бастапқыда тек белгілі бір локустар тұрғысынан қарастырылды. Дегенмен, технологиялық жетістіктер көшірме санының өзгеруін анықтау және зерттеудің жоғары дәлдігін қамтамасыз ететін көптеген жаңа әдістерге әкелді. Көшірме санының өзгеруі алғашқыда хромосоманың физикалық құрылымын көруге мүмкіндік беретін цитогенетикалық әдістермен зерттелді. BAC-тар қайта құрылымдалудың ыстық нүктелерінде көшірме санының өзгеруін де анықтай алады, бұл 119 жаңа көшірме санының өзгеруін анықтауға мүмкіндік береді. Сызықтың соңғы нүктелерін оқу эталондық тізбекті қызығушылық тудырған тізбекпен салыстыру үшін жеткілікті ақпарат береді, ал кез келген дұрыс емес сәйкестіктер оңай көрінеді, сондықтан бұл клондардың осы аймағындағы көшірме санының өзгеруі деп қорытынды жасалады. Адамның рекомбинациясы салыстырмалы түрде сирек болатыны және көптеген рекомбинациялық оқиғалар геномның белгілі бір аймақтарында, яғни рекомбинациялық ыстық нүктелерде жүретініне сүйене отырып, байланыс тепе-теңдігі көшірме санының өзгеруін анықтау үшін қолданылуы мүмкін. Массивтік әдістерден айырмашылығы, тізбектеуге негіделген әдістер инверсиялар және транслокациялар сияқты құрылымдық өзгерістердің басқа түрлерін де оңай анықтай алады.
One of the most well known examples of a short copy number variation is the trinucleotide repeat of the CAG base pairs in the huntingtin gene responsible for the neurological disorder Huntington's disease. For this particular case, once the CAG trinucleotide repeats more than 36 times in a trinucleotide repeat expansion, Huntington's disease will likely develop in the individual and it will likely be inherited by his or her offspring. These types of short repeats are often thought to be due to errors in polymerase activity during replication including polymerase slippage, template switching, and fork switching which will be discussed in detail later. The short repeat size of these copy number variations lends itself to errors in the polymerase as these repeated regions are prone to misrecognition by the polymerase and replicated regions may be replicated again, leading to extra copies of the repeat. In addition, if these trinucleotide repeats are in the same reading frame in the coding portion of a gene, it may lead to a long chain of the same amino acid, possibly creating protein aggregates in the cell, Although the specific mechanism that allows the AMY1 gene to increase or decrease its copy number is still a topic of debate, some hypotheses suggest that the non homologous end joining or the microhomology mediated end joining is likely responsible for these whole gene repeats. In terms of the structural architecture of copy number variations, research has suggested and defined hotspot regions in the genome where copy number variations are four times more enriched. recent genome wide studies have concluded otherwise. Copy number variations were generally associated only with small tandem repeats or specific genetic disorders, therefore, copy number variations were initially only examined in terms of specific loci. However, technological developments led to an increasing number of highly accurate ways of identifying and studying copy number variations. Copy number variations were originally studied by cytogenetic techniques, which are techniques that allow one to observe the physical structure of the chromosome. BACs can also detect copy number variations in rearrangement hotspots allowing for the detection of 119 novel copy number variations. Sequencing end reads would provide adequate information to align the reference sequence to the sequence of interest, and any misalignments are easily noticeable thus concluded to be copy number variations within that region of the clone. Relying on the fact that human recombination is relatively rare and that many recombination events occur in specific regions of the genome known as recombination hotspots, linkage disequilibrium can be used to identify copy number variations. In contrast to array based techniques, sequencing based detection methods readily identify other classes of structural variation such as inversions and translocations.
Молекулалық механизм
Көшірме санының өзгеруін қалыптастыру үшін молекулалық механизмнің екі негізгі түрі бар: гомологтық негіздес және гомологтық емес негіздес. Мейотикалық рекомбинация кезінде гомолог хромосомалар жұптасып, Холидей түйісулеріне әкелетін екі ұшталған екі жіпті үзілістерді құрайды. Дегенмен, бұрыс механизмде Холидей түйісулерінің қалыптасуы кезінде екі жіпті үзілістер дұрыс емес орналасып, кроссовер бір хромосомадағы аллельдік емес позицияларға түседі. Холидей түйісуі шешілгенде, тең емес кроссинговер екі гомолог хромосома арасында генетикалық материалдың ауысуына мүмкіндік береді, нәтижесінде екі гомологтың ДНК-сының бір бөлігі қайталанады. Геномда күтпеген жерден екі жіпті үзіліс пайда болғанда, жасуша үзілісті қалпына келтіруге бағытталған жолдарды белсендіреді. Егер қандай да бір себеппен, мысалы рибосомалық РНК-ның белсенділігі когезин белсенділігіне әсер етсе, онда екі жіпті үзілісті жөндеу қателіктерінің жергілікті өсуі болуы мүмкін. Бұл механизмдер де екі жіпті үзілістерді жөндеуге қатысады, бірақ гомология немесе шектеулі микрогомология талап етпейді. Бұл бауырлас хроматидтер бірігіп, бір дицентрикалық хромосоманы құрайды, содан кейін екі түрлі ядроға бөлінеді. ДНҚ-ның қалыпты репликациясы кезінде артта қалған жіптегі полимераза репликация аймағын үнемі босатып, қайтадан бекітуі керек.
There are two main types of molecular mechanism for the formation of copy number variations: homologous based and non homologous based. During meiotic recombination, homologous chromosomes pair up and form two ended double stranded breaks leading to Holliday junctions. However, in the aberrant mechanism, during the formation of Holliday junctions, the double stranded breaks are misaligned and the crossover lands in non allelic positions on the same chromosome. When the Holliday junction is resolved, the unequal crossing over event allows transfer of genetic material between the two homologous chromosomes, and as a result, a portion of the DNA on both the homologues is repeated. When a double stranded break occurs in the genome unexpectedly the cell activates pathways that mediate the repair of the break. If for any reason, such as activation of ribosomal RNA, cohesin activity is affected then there may be local increase in double stranded break repair errors. These mechanisms are also involved in repairing double stranded breaks but require no homology or limited micro homology. It is proposed that these sister chromatids will fuse together to form one dicentric chromosome, and then segregate into two different nuclei. During normal DNA replication, the polymerase on the lagging strand is required to unclamp and re clamp the replication region continuously.
Альфа-амиляза гені
Амилаза – сілекейдегі крахмалдың моносахаридтерге ыдырауын қамтамасыз ететін фермент, ал амилазаның бір түрі альфа амилаза генімен (AMY1) кодталады. Еуропалық америкалықтардың AMY1 гендерінде сілекей амилазасының концентрациясы AMY1 генінің көшірме санымен тікелей байланысты екені анықталды. Дегенмен, қазіргі уақытта бұл теорияны қолдайтын ешқандай дәлел жоқ, сондықтан бұл гипотеза әлі де болжам ретінде қана сақталады. Көп көшірмелі AMY1 генінің жақында пайда болуы, қоршаған ортаға байланысты AMY1 генінің көшірме саны, қоршаған ортамен тікелей байланысы жоқ гендерге қарағанда, өте жылдам артуы немесе азаюы мүмкін екенін көрсетеді. Көшірме санының өзгерістері кең ауқымды вариацияны көрсетеді (әр түрлі зерттеулерде ми нейрондарының 9-ден 100%-ға дейін). Көптеген өзгерістердің мөлшері 2 мен 10 Мб арасында, ал жоюлар күшейтулерден әлдеқайда көп. RCL1 геніндегі көшірме санының варианттары балалардағы нейропсихиатриялық фенотиптердің әртүрлі түрлерімен байланысты.
Amylase is an enzyme in saliva that is responsible for the breakdown of starch into monosaccharides, and one type of amylase is encoded by the alpha amylase gene (AMY1). In the AMY1 genes of European Americans it is found that the concentration of salivary amylase is closely correlated to the copy number of the AMY1 gene. However, there is currently no evidence to support this theory and therefore this hypothesis remains conjecture. The recent origin of the multi copy AMY1 gene implies that depending on the environment, the AMY1 gene copy number can increase and decrease very rapidly relative to genes that do not interact as directly with the environment. Copy number variations show wide variability (9 to 100% of brain neurons in different studies). Most alterations are between 2 and 10 Mb in size with deletions far outnumbering amplifications. Copy number variants in RCL1 gene are associated with a range of neuropsychiatric phenotypes in children.
Гендік отбасылар және табиғи іріктеу
Жақында көшірме санының өзгеруі мен гендер отбасыларын байланыстыратын талқылаулар болды. Гендер отбасылары – ұқсас функцияларды атқаратын, бірақ уақытша немесе кеңістіктік айырмашылықтары бар туысқан гендердің жиынтығы, және бұл гендер, әдетте, бір ата-баба генінен пайда болған. Глобин отбасындағы глобин гендері жақсы сақталған, геннің шағын бөлігімен ғана ерекшеленеді, бұл олардың ортақ ата-баба генінен шыққандығын көрсетеді, мүмкін бастапқы глобин генінің дубликациялануы нәтижесінде. Көшірме санының өзгеруіне байланысты ген дозасының әсері, егер маңызды жасуша функциялары бұзылса, зиянды салдарларға әкелуі мүмкін, сондықтан жасуша жолдарына қатысқан ақуыздар күшті тазарту таңдауына (селекциясына) ұшырайды. Жолдың шетіндегі ақуыздар азырақ ақуызбен өзара әрекеттеседі, сондықтан көшірме санының өзгеруінен туындаған ақуыз дозасының өзгеруі жасуша жолының жалпы нәтижесіне аз әсер етуі мүмкін. Соңғы бірнеше жылда зерттеушілер көшірме санының өзгеруін анықтау, орналастыру және тізбектеуден, адам геноміндегі және жалпы табиғаттағы осы өзгерістердің рөлін терең талдауға көшті. Көшірме санының өзгеруі мен гендер отбасылары арасындағы байланысты одан әрі растау үшін, сондай-ақ табиғи таңдаудың осы қатынастар мен өзгерістерді қалыптастырудағы рөлін анықтау үшін қосымша дәлелдер қажет. Бұдан бөлек, зерттеушілер көшірме санының өзгеруіне қатысқан молекулалық механизмдерді түсіндіруге ұмтылады, себебі ол жалпы құрылымдық өзгерістер туралы маңызды ақпаратты ашуға көмектеседі. Тоқтап тұрсақ, адам геномдарындағы құрылымдық өзгерістерді зерттеу өте қарқынды дамып келе жатқан сала. Бұл зерттеу деректері эволюция мен табиғи таңдаудың қосымша дәлелдерін ғана емес, сонымен қатар көптеген генетикалық ауруларды емдеу әдістерін әзірлеу үшін де қолданылуы мүмкін.
Recently, there had been discussion connecting copy number variations to gene families. Gene families are defined as a set of related genes that serve similar functions but have minor temporal or spatial differences and these genes likely derived from one ancestral gene. These globin genes in the globin family are all well conserved and only differ by a small portion of the gene, indicating that they were derived from a common ancestral gene, perhaps due to duplication of the initial globin gene. It was suggested that the gene dosage effect accompanying copy number variation may lead to detrimental effects if essential cellular functions are disrupted, therefore proteins involved in cellular pathways are subjected to strong purifying selection. It was explained that proteins in the periphery of the pathway interact with fewer proteins and so a change in protein dosage affected by a change in copy number may have a smaller effect on the overall outcome of the cellular pathway. In the past few years, researchers seem to have shifted their focus from detecting, locating, and sequencing copy number variations to in depth analyses of the role of these copy number variations in the human genome and in nature in general. Evidence is needed to further validate the relationship between copy number variations and gene families as well as the role that natural selection plays in shaping these relationships and changes. Furthermore, researchers are also aiming to elucidate the molecular mechanisms involved in copy number variations as it may reveal essential information regarding structural variations in general. Taking a step back, the area of structural variation in the human genome seems to be a rapidly growing research topic. Not only can these research data provide additional evidence for evolution and natural selection, it can also be used to develop treatments for a wide range of genetic diseases.