Komputerowa analiza ludzkiego genomu
Konrad Koperwas | 2006-05-04
Najciekawszą informacją, jaka wyłoniła się z komputerowej analizy ludzkiego genomu jest fakt, iż występujące w ludzkim genomie pewne motywy sekwencji odnotowano nie tylko w DNA kodującym białka, ale również w DNA niekodującym. Analizy ludzkiego genomu, składającego się z ponad 3 miliardów par zasad, podjęła się grupa badaczy pod kierunkiem dr Isidore Rigoutsos z T. J. Watson Research Center. Do realizacji tego zadania zostały wykorzystane komputery IBM.
Od czasu opublikowania sekwencji ludzkiego genomu trwają intensywne badania skoncentrowane na analizie tej sekwencji. Badania te maja na celu zrozumienie, w jaki sposób informacja genetyczna zapisana w DNA jest realizowana, czym zajmuje się dział nauki zwany genomiką funkcjonalną. Analiza ludzkiego genomu praktycznie nie byłaby możliwa bez zastosowania w tym celu komputerów o potężnej mocy obliczeniowej. Uzyskane wyniki pozwoliły zrozumieć, że przeważający w ludzkim genomie DNA niekodujący był niesłusznie niedoceniany przez genetyków, ponieważ nie determinuje bezpośrednio syntezy białek i dlatego też został nazwany DNA śmieciowym (ang. junk DNA). Obecnie naukowcy nie zastanawiają się czy DNA niekodujący spełnia jakieś funkcje, ale raczej zadają sobie pytanie, jakie funkcje spełnia w realizacji przez komórkę informacji genetycznej.
Uzyskane wyniki z analizy komputerowej w IBM*s Centre for Computational Biology (CompBio) przy T. J. Watson Research Center są potwierdzeniem słuszności założeń, że to właśnie odcinki DNA, które nie zawierają informacji dla syntezy białek mogą odgrywać istotną rolę w regulacji ekspresji genów. Już wcześniejsze analizy komputerowe wskazywały na to, że dla prawidłowego funkcjonowania komórek ważny jest DNA niekodujący, czyli taki, który nie zawiera informacji genetycznej wyrażanej zgodnie z centralnym dogmatem biologii molekularnej od DNA do białka poprzez RNA. Analizy te były przeprowadzane przez zespół naukowców z National Human Genome Research Institute (Państwowego Instytutu Badawczego Ludzkiego Genomu). Zastosowanie komputerów pozwalało na porównanie fragmentów genomów człowieka, krowy, szczura, psa, świni i siedmiu innych gatunków ssaków. Jak się wówczas okazało u kilku gatunków zwierząt występują 1194 prawie identyczne odcinki DNA, przy czym jedynie 244 z nich koduje białka, około dwóch trzecich leży w obrębie intronów, reszta jest rozproszona pośród międzygenowego śmieciowego DNA.
Tym razem analiza matematyczna genomu tylko jednego gatunku, a mianowicie genomu ludzkiego pozwoliła dostrzec w chaosie śmieciowego DNA powtarzające się zadziwiająco regularnie pewne wzory konkretnych motywów sekwencji, co na pewno nie może być przypadkiem. Jak zauważa John S. Mattick, dyrektor Institute for Molecular Bioscience University of Queensland w Brisbane w Australii: "Istnieje korelacja między ilością niekodującego DNA a skalą złożoności organizmu". Innymi słowy to, co genetycy uznali za śmieci, prawdopodobnie okaże się podstawą złożoności człowieka, a wyniki z analizy komputerowej ludzkiego genomu zdają się potwierdzać słuszność tego założenia. Oczywiście następnym etapem badań muszą być doświadczenia na zwierzętach laboratoryjnych, które mogłyby potwierdzić tezy wysuwane na podstawie matematycznych analiz ludzkiego genomu.
W celu analizy ludzkiego genomu zespół z CompBio wykorzystał matematyczne narzędzia znane jako "pattern discovery", które pozwalają na wydobywanie wzorów, jakie tworzą motywy sekwencji DNA w genomie. Technika ta jest często stosowana w świecie nauki i biznesu do uzyskiwania użytecznych informacji z olbrzymich zasobów danych. Badacze pod kierunkiem dr Isidore Rigoutsos swoją szczególną uwagę skupili na tzw. śmieciowych DNA, przeszukując powtarzające się fragmenty i motywy sekwencji DNA. Udało się zlokalizować miliony takich motywów w niekodujących odcinkach ludzkiego genomu. Jak się okazało około 128 tysięcy z nich występują również w tych odcinkach genomu, które kodują sekwencje aminokwasów w białkach. Jak twierdzi dr Rigoutsos, wynik prac jego zespołu wskazuje na "połączenie pomiędzy ogromnym obszarem genomu, który był uznawany jako niefunkcjonalny oraz tą częścią genomu o której wiedzieliśmy, że jest funkcjonalna". "Przeciętne laboratorium nie posiada obecnie danych, które mogłyby jednoznacznie potwierdzić lub też obalić uzyskane przez zespół IBM wyniki analizy komputerowej, dlatego też konieczny jest bardzo duży wysiłek wielu ludzi, aby rozszyfrować sens tych powtarzających się elementów w ludzkim genomie"- dodaje dr Rigoutsos.
Ponadto uzyskane w IBM*s Centre for Computational Biology wyniki wskazują, że powtarzające się motywy sekwencji DNA w rejonach niekodujących ludzkiego genomu są związane z małocząsteczkowym RNA (small RNA), który uczestniczy w procesach post-traksrypcyjnego wyciszania genów. "Każda ludzka komórka zawiera taki sam materiał genetyczny, a różnicowanie na komórki poszczególnych tkanek odbywa się na drodze precyzyjnego wyciszania genów" –wyjaśnia dr Andrew McCallion. Takie wyciszanie genów jest możliwe miedzy innymi dzięki mechanizmowi post-transkrypcyjnego wyciszania genów. Białka wiążą się z cząsteczką docelową bardziej na zasadzie klucza i zamka. "Piękno RNA polega na tym, że ma on określoną sekwencję, a zatem jest czymś w rodzaju kodu pocztowego"- zauważa Mattick. Tak więc badania prowadzone przez grupę badawczą przy T. J. Watson Research Center mogą prowadzić nie tylko do wyjaśnienia mechanizmów regulacji ekspresji genów ale również wyjaśnić procesy towarzyszące różnicowaniu komórek czym zajmuje się dział nauki znany jako biologia rozwoju.
Źródło:
http://news.bbc.co.uk/2/hi/science/nature/4940654.stm
Świat Nauki Grudzień 2003 Nr 12 (148)
Komentarze
Zapytanie | 2008-02-12 14:59:12
Proszę o wskazanie labortorium, gdzie można zbadać swoje DNA. Chciałabym dowoedzieć sie, sąd pochodza moi przodkowie.
Mieszkanka Gdańska