Хромосомы представляют собой нуклеопротеидные структуры, которые находятся в ядре эукариотической клетки, содержащей ядро. Хромосомы наиболее заметны в таких фазах клеточного цикла, как митоз и мейоз. Далее в статье будет приведено описание этих структур. Выясним также, сколько пар хромосом у человека.
Хромосомные мутации
(по-другому их называют аберрациями, перестройками) – это непредсказуемые изменения в структуре хромосом. Чаще всего они вызываются проблемами, возникающими в процессе деления клетки. Воздействие инициирующих факторов среды – это еще одна возможная причина хромосомных мутаций. Давайте же разберемся, какими могут быть проявления такого рода изменений в структуре хромосом и какие последствия они несут для клетки и всего организма.
Основные положения мутационной теории
(Г. де Фриз, 1901-1903 г.г.):
1. Мутации возникают внезапно, скачкообразно;
2. Мутации — качественные изменения, которые передаются из поколения в поколение;
3. Мутации возникают ненаправленно (спонтанно), то есть мутировать может любой участок хромосомы, вызывая изменения как незначительных, так и жизненно важных признаков;
4. Сходные мутации могут возникать неоднократно;
5. Мутации проявляются по-разному и могут быть как полезными, так и вредными, как доминантными, так и рецессивными.
Виды мутационной изменчивости
Геномная изменчивость (характеризуется изменением численности хромосом).
2) Хромосомные аберрации (характеризуется изменением специфики хромосом).
3) Генная изменчивость (характеризуется изменением структуры гена). Наиболее распространёнными из этих трёх типов являются генные мутации. Их итогом являются необратимые изменения в организме, например, утрата каких-то органов или их преобразование и т.п.
Хромосомы представляют собой нуклеопротеидные структуры, которые находятся в ядре эукариотической клетки, содержащей ядро. Хромосомы наиболее заметны в таких фазах клеточного цикла, как митоз и мейоз. Далее в статье будет приведено описание этих структур. Выясним также, сколько пар хромосом у человека.
Хромосомные мутации
(по-другому их называют аберрациями, перестройками) – это непредсказуемые изменения в структуре хромосом. Чаще всего они вызываются проблемами, возникающими в процессе деления клетки. Воздействие инициирующих факторов среды – это еще одна возможная причина хромосомных мутаций. Давайте же разберемся, какими могут быть проявления такого рода изменений в структуре хромосом и какие последствия они несут для клетки и всего организма.
Основные положения мутационной теории
(Г. де Фриз, 1901-1903 г.г.):
1. Мутации возникают внезапно, скачкообразно;
2. Мутации — качественные изменения, которые передаются из поколения в поколение;
3. Мутации возникают ненаправленно (спонтанно), то есть мутировать может любой участок хромосомы, вызывая изменения как незначительных, так и жизненно важных признаков;
4. Сходные мутации могут возникать неоднократно;
5. Мутации проявляются по-разному и могут быть как полезными, так и вредными, как доминантными, так и рецессивными.
Виды мутационной изменчивости
Геномная изменчивость (характеризуется изменением численности хромосом).
2) Хромосомные аберрации (характеризуется изменением специфики хромосом).
3) Генная изменчивость (характеризуется изменением структуры гена). Наиболее распространёнными из этих трёх типов являются генные мутации. Их итогом являются необратимые изменения в организме, например, утрата каких-то органов или их преобразование и т.п.
Индуцированные плюрипотентные клетки человека в регенеративной медицине Ilya Klabukov
Индуцированные плюрипотентные клетки человека в регенеративной медицине - Киселев Сергей Львович, д.б.н., профессор, НИЦ «Курчатовский институт», г. Москва
Комбинативная изменчивость представляет собой процесс, в основе которого лежит формирование рекомбинаций. Другими словами, образуются такие комбинации генов, которые отсутствуют у родителей. Далее подробнее будет рассмотрена комбинативная изменчивость и ее механизмы.
Индуцированные плюрипотентные клетки человека в регенеративной медицине Ilya Klabukov
Индуцированные плюрипотентные клетки человека в регенеративной медицине - Киселев Сергей Львович, д.б.н., профессор, НИЦ «Курчатовский институт», г. Москва
Комбинативная изменчивость представляет собой процесс, в основе которого лежит формирование рекомбинаций. Другими словами, образуются такие комбинации генов, которые отсутствуют у родителей. Далее подробнее будет рассмотрена комбинативная изменчивость и ее механизмы.
Генетическая инженерия сегодня
Патрушев Лев Иванович, доктор биологических наук, профессор, ведущий научный сотрудник Лаборатории биотехнологии Института биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН
synbio2012.ru
http://bioinformaticsinstitute.ru/lectures
Гостевая лекция Института биоинформатики, 9 октября 2014. Лектор -- Мария Шутова (ИоГЕН РАН).
За последние десять лет плюрипонтентные клетки стали героями двух Нобелевских премий и многих тысяч научных и научно-популярных статей. Их уникальная возможность превращаться в любую клетку взрослого организма до сих пор дает пищу для ума как биологам развития, так и ученым, ищущим способы лечения генетических заболеваний. В лекции будет рассказано о двух типах плюрипотентных клеток: "естественных" (эмбриональные стволовые клетки) и "искусственных" (индуцированные плюрипотентные стволовые клетки). Отдельно мы остановимся на том, как знания о работе транскрипционных факторов помогли репрограммировать клетки, и как эти "искусственные" плюрипотентные клетки можно использовать в медицине.
Гостевая лекция Института биоинформатики. Подробнее: http://bioinformaticsinstitute.ru/lectures/1218
Несмотря на несерьезное название, на лекции разговор пойдет о важной проблеме в работе биоинформатика, почти любая реальная задача которого связана с обработкой и анализом больших данных. И решить задачу нужно не только правильно, но и эффективно. Процесс решения можно условно разделить на две части: «придумать», как решать, и «обучить» этому компьютер. И на лекции речь пойдет именно об эффективном «обучении».
Наивно реализованные алгоритмы работают неприемлемо долго, когда дело доходит до гигабайтов реальных данных. От биоинформатика уже требуются не просто базовые навыки программирования, но и знание технических нюансов. И даже у профессионального программиста уйдет немало времени, например, чтобы выгодно использовать возможности Hadoop при работе с Big Data. Так можно ли современному ученому обойтись без тщательного изучения кучи языков, библиотек и фреймворков и сосредоточиться именно на решении?
Ядерный век прошел, и становится все понятнее, что в фокусе науки 21-го века будут живые системы, медицина, и человек во всех его проявлениях. Здесь осуществляются самые масштабные финансовые вливания, и на эту отрасль человечество возлагает самые большие надежды. Все чаще слышатся предметные обсуждения тем, казавшихся еще недавно научной фантастикой: сможет ли человечество победить старение, рак, и другие смертельные заболевания? Сможет ли менять свой геном по собственному желанию? Будем ли мы хозяевами своим телам в той же мере, как мы хозяйничаем на Земле?
Многие десятилетия биология и медицина развивались как описательные науки. Однако по мере созревания и накопления информации, любая наука рано или поздно переходит на более точный язык - язык математики. Проект "Геном человека" обеспечил технологический прорыв, который будет питать науку о живом еще много лет - но который также поставил много новых глобальных вопросов перед современными учеными.
http://bioinformaticsinstitute.ru/guests
В пятницу 10 октября в 19.00 Мария Шутова (ИоГЕН РАН) выступала в Институте биоинформатики с открытой лекцией, посвященной изучению рака.
Рак -- одна из наиболее распространенных причин смерти по всему миру. В лекции рассматривается, как знания об эволюции, работе генома, репрограммировании, а также использование биоинформатических методов помогли лучше понять, как развивается раковая опухоль и предложить новые методы лечения разнообразных типов рака. Рассмотрены мышиные модели развития рака и интересные результаты, которые были получены с их помощью.
В своей лекции Андрей Афанасьев рассказал о стартапах в биотехе и биоинформатике и своем биоинформатическом проекте iBinom, разобрал несколько биотехнологических проектов глазами инноваторов и инвесторов, а также коснулся вопроса поиска инвестиций и поделился личным опытом взаимодействия с венчурными фондами и институтами развития.
2. Сравнительная геномика
• Comparative genomics is the study of the
relationship of genome structure and function
across different biological species or strains.
• Поиск сходств и различий
• A human shares 50% of his genes with a banana
• Humans share 23% of their genes with Yeast
3. Для чего
• Изучение эволюционных событий и
объяснение механизмов эволюции геномов
• Поиск генов
• Поиск некодирующих функциональных
элементов генома
• Изучение функций генов и некодирующих
участков
10. Выравнивание последовательностей
геномов
Основная задача – нахождение минимального набора фрагментов
последовательностей, которые гомологичны и коллинеарны друг другу
• Поиск сегментов, произошедших от общего предка
• Отслеживание эволюционных событий в геноме
12. Реаннотация геномов
• Идентификация новых генов
Выявление негативной селекции на некодирующих
участках позволило обнаружить ряд генов малых РНК
13. Реаннотация геномов
• Идентификация регуляторных
последовательностей
CNE – conserved noncoding element
Могут быть как консервативные, так и вариабильные регуляторные элементы
21. Гомологи
– Гены, обладающие эволюционным родством и
сходными последовательностями
• Паралоги – гомологичные гены в одном
геноме, возникшие в результате дупликации
• Ортологи – гомологичные гены разных видов,
произошедшие от общего предшественника и
передавались вертикально при эвоюции
28. Хромосомные перестройки
• Инверсии, транслокации характерны для
эволюции млекопитающих
• Формирование неоцентромеры – изменение
положение центромеры в хромосоме
31. Определение пола
• Генное
• Хромосомное
– самки гомогаметны, самцы гетерогаметны (XY или XO)
– самцы гетерогаметны, самки гомогаметны (ZW или ZO)
• Гапло-диплоидное
• Средовое
32. Гетерогаметный пол
Хромосома определяющая пол (Y, W), как правило,
отличается маленьким размером, малым количеством
генов, большим количеством повторов
Человек:
• Х-хромосома – 900 белок-кодирующих генов, 155 Mb
• Y-хромосома – 80 белок-колирующих генов (30
уникальных), 59 Mb
• Рекомбинация между Х и Y в мейозе происходит только в
идентичных прителомерных областях (псевдоаутосомные
регионы)
33. Х и Y хромосомы человека
MSY – male-specific region on the Y chromosome.
Gametologs – гомологичные гены Х и Y хромосом вне
псевдоаутосомных регионов. В Y хромосоме
несколько таких генов стало псевдогенами.
SRY и SOX3 изначально произошли от одного гена, но
отличаются довольно сильно.
35. Х и Y хромосомы произошли от пары аутосом
1. Появление testis-determining factor (TDF)
2. Рекомбинация подавляется инверсией
3. Дальнейшая дивергенция из-за отсутствия
рекомбинации и накопления мутаций
Ген SRY произошел от гена SOX3
39. Наше место на эволюционном древе
• Филогенез – эволюционные отношения между
организмами
• Классический подход основан на анатомических и
морфологических признаках
• Молекулярная филогенетика использует
сравнение нуклеотидных и аминокислотных
последовательностей
• Изначально использовалось небольшое
количество локусов
• Филогеномика использует знания о полных
последовательностях геномов
41. Построение эволюционных деревьев
• Строятся исходя из гомологии анализируемых
последовательностей нуклеиновых кислот или белков
Branches & Nodes
A – unrooted tree
B – rooted tree (cladogram)
43. Другие методы
• Варианты distance matrix
– Neighbor relation
– Neighbor joining (учитывает отличия в скорости
эволюции)
• Maximum-parsimony – поиск дерева с
минимальным количеством эволюционных
шагов
• Maximum-likelihood – поиск оптимального
дерева из всех возможных вариантов
• Эвристические методы (для большого объема
данных)
48. G-value paradox
Возможные объяснения:
• Недавние полногеномные дупликации
• Необходимость адаптироваться к различным условиям
• Усложнение на уровне регуляции
49. Усложнение на уровне регуляции
• Альтернативный спласинг
• Некодирующая (регуляторная) ДНК
53. Гены эмбрионального развития крайне
консервативны
Дупликация Hox генов не происходила на протяжении сотен миллионов лет
54. Cis-regulatory elements (CRE)
• CRE отвечают за экспрессию генов в определенных тканях и/или в
определенное время
• Новые CRE → новые функции гена
Pax6 – транскрипционный фактор, отвечающий за развитие отделов мозга, ЦНС, глаз
Rhodopsin – мишень Pax6, выполняет одну функцию (фоторецептор в глазу)
55. Эволюция CRE
• Мутации в существующих CRE
• Транспозиция
Около 10.000 транспозонов человека эволюционировали под сильным действием отбора
57. Что делает человека человеком?
В эволюции приматов активно образовывались ретрогены
58. Что делает человека человеком?
• Человек и шимпанзе разошлись 5-7 млн лет назад
• Отличия в последовательности ДНК: 1,2% (замены),
3% (инсерции и делеции), > 1500 инверсий
• Различия в количестве копий генов, повторов
• Инактивация рядя генов у человека
59. Что делает человека человеком?
• Некоторые гены подвергались позитивной селекции
Фрагмент белка FOXP2
60. Выводы
• Сравнительная геномика позволяет конструировать
молекулярные филогенетические деревья, прослеживать
эволюцию геномов.
• Сравнительная геномика помогает идентифицировать
гены, а также функциональные некодирующие элементы.
• Функционально важные элементы более консервативны и
мутации в них, как правило, подвергаются негативному
отбору, но некоторые мутации могут подвергаться
позитивному отбору.
• Перетасовка и дупликация экзонов в белок-кодирующих
генах увеличивает генетическое разнообразие.
Транспозоны при перемещении могут становиться новыми
экзонами или регуляторными последовательностями.
• Эволюция может происходить также за счет дупликации
генов или целых геномов. Дуплицированные гены
дивергируют в ходе эволюции.
61. Выводы
• В ходе эволюции млекопитающих происходили
крупные хромосомные перестройки. Часто
появлялись химерные гены. Половые
хромосомы исключение.
• Вариации в регуляторных областях также играют
важную роль в эволюции и усложнении
строения организмов
• Различия между геномом человека и близкими
видами минимальны. Очень мало специфичных
для человека генов. Многие быстро
эволюционирующие регионы генома человека
относятся к регулятроным элементам и
нетранслируемым РНК.