의료 유전학. 인간 게놈 해독 초파리 게놈을 해독하면 다음과 같은 사실이 밝혀졌습니다.
© M.D. Golubovsky
비정규 유전 변화
MD 골루보프스키
미하일 다비도비치 골루보프스키,생명과학박사, 수석연구원
러시아 과학 아카데미 자연 과학 기술 역사 연구소의 상트 페테르부르크 지점.
과학으로서의 유전학은 멘델의 법칙이 두 번째로 발견된 후인 100년 전에 구체화되었습니다. 그것의 급속한 발전은 최근 수십 종의 DNA 게놈의 뉴클레오티드 구성을 해독함으로써 두드러졌습니다. 유전체학, 분자 고생물학 등 새로운 지식 분야가 등장했습니다. 2001년 초, 값비싼 10개년 국제 프로그램의 일환으로 인간 게놈의 근본적인 해독이 발표되었습니다. 이러한 성취는 아마도 인간의 우주 유영이나 달 착륙과 비교할 수 있을 것입니다.
유전공학과 생명공학은 과학의 모습을 크게 변화시켰습니다. 다음은 최신 보고서에 이미 포함된 흥미로운 에피소드입니다. “1998년 이후 전 세계 인간 게놈 프로젝트 커뮤니티의 과학자 1,100명과 사모펀드 회사 Celera Genomics 사이에 전례 없는 경쟁이 시작되었습니다.”. 이 회사는 결승선에 가장 먼저 도달하고 인간 DNA 단편에 대한 특허를 취득하여 이익을 얻기를 바랐습니다. 그러나 지금까지는 다음과 같은 원칙이 승리했습니다. “자연이 창조한 것과 신이 창조한 것은 인간이 특허를 낼 수 없다.”
그레고르 멘델(Gregor Mendel)이 수도원 정원의 조용한 곳에서 해마다 천천히 실험을 수행하는 그런 환상적인 그림을 상상할 수 있었을까요? 그것은 과학의 자연스러운 자기 발전을 어느 정도까지 변화시키는가? 게놈에 대한 전체 DNA 분석이 실제로 모든 덮개를 제거합니까? 피노키오가 비밀의 문을 여는 소중한 황금열쇠를 이미 찾았다는 희망은 예상치 못한 현실과 역설과 충돌했다. 인간의 경우 게놈 DNA의 3%만이 단백질을 암호화하고 있으며 아마도 20~25%가 유전자 활동 조절에 관여하고 있습니다. 그 기능은 무엇이며 나머지 DNA에도 그 기능이 있습니까? 게놈의 유전자는 때때로 비활성 및 아마도 "정크" 서열의 바다에 있는 작은 섬과 비교됩니다. DNA 경주는 때때로 "이것을 가져오세요. 뭔지 모르겠습니다."라는 말과 비슷합니다.
회의론자들의 반대는 결코 제거되지 않습니다. 실제로, 전체 시퀀싱을 사용하면 특정 DNA 세그먼트를 "유전자 순위"로 지정(유행 용어 사용)은 순전히 형식적인 기준(전사에 필요한 유전적 구두점)을 기반으로만 수행됩니다. 대부분의 "지정 유전자"의 역할, 시간 및 작용 장소는 아직 완전히 불분명합니다.
그러나 또 다른 문제가 있습니다. 게놈을 통해 우리는 특정 DNA 요소 세트의 구조뿐만 아니라 특정 환경 조건에서 개체 발생 과정을 결정하는 이들 사이의 연결 특성을 포함하여 전체 유전 시스템을 이해해야 합니다. 요소, 요소 간의 연결 및 무결성 속성이라는 체계적인 트라이어드가 있습니다. 이는 중요한 결론에 도달합니다. DNA 수준에서 유전자 구조에 대한 지식은 필요하지만 게놈을 설명하는 데는 전혀 충분하지 않습니다. 우리는 조직의 동적 방법과 비표준적인 상속 형태를 이해하는 문턱에 있습니다 [,].
뜻밖에도 20세기 말. 유전적 변이의 경계와 스펙트럼이 무엇인지에 대한 질문은 순전히 학문적인 논의를 넘어섰습니다. 처음에는 영국에서, 그 다음에는 독일에서 아픈 동물의 고기를 통해 사람에게 전염될 수 있는 신경퇴행성 이상으로 인해 소를 도살해야 했습니다. 감염원은 DNA나 RNA가 아니라 프리온이라고 불리는 단백질(영어 프리온 - 단백질 감염 입자 - 단백질 감염 입자)인 것으로 밝혀졌습니다.
연구자들은 60년대에 처음으로 특이한 징후를 접했습니다. 그러나 그들은 이것이 동물의 "느린 바이러스 감염"이거나 효모의 특별한 유형의 억제 돌연변이라고 믿고 고전 개념의 틀 내에서 이 현상을 해석하려고 노력했습니다. 이제 밝혀졌습니다 “프리온 현상은 포유류의 특이한 현상이 아니라 일반적인 생물학적 메커니즘의 특별한 경우입니다.”동적 상속. 감염 유형에 따른 종내 및 종간 전염 가능성을 고려하기 위해서는 분자 유전학의 중심 교리가 보완되어야 할 것 같습니다.
80년대 초, 분자생물학 및 유전학의 고전인 R.B. Khesin은 세 가지 형태의 비표준 유전적 변이를 확인했습니다. 즉, DNA 반복으로 구성된 유전자좌 및 염색체 영역의 무작위로 정렬되지 않은 변화; 세포질 특성의 변화와 유전; 염색질 포장의 국소 및 일반 변화의 후성 유전. 그런 다음 이동 유전자가 추가되었으며 그 행동으로 인해 게놈 가변성 문제가 발생했습니다.
이 기사의 목적은 다양한 형태의 비멘델 유전이 예외가 아니라 게놈 구성에 대한 보다 일반적인 아이디어의 결과임을 보여주는 것입니다. 유전적 변화는 결코 돌연변이로만 축소되지 않습니다.
Andre Lvov와 그의 발견의 역할
놀라운 우연의 일치로 같은 해인 1953년에 현대 유전학의 면모를 결정한 두 개의 기사가 나타났습니다. J. Watson과 F. Crick의 DNA 이중 나선 발견과 A의 박테리아 프로파지 및 용원성 개념. . Lvov(1902-1994)는 내 의견으로는 이제 생물학, 의학 및 유전학에서 DNA의 이중나선만큼 중요하다고 생각합니다.
Lvov는 파지가 박테리아의 염색체에 통합되어 일반적인 박테리아 유전자로서 여러 세대에 걸쳐 전달될 수 있음을 확립했습니다. 이 상태에서는 억제 유전자만이 파지에서 작동하여 다른 모든 유전자좌의 작동을 차단합니다. 게놈에 파지를 포함하는 박테리아를 용원성이라고 하며, 통합된 파지를 프로파지라고 합니다. 이러한 용원성 박테리아는 다른 파지에 의한 감염으로부터 보호됩니다. 자외선의 영향이나 세포 내부 환경의 변화로 인해 억제인자가 비활성화되고 봉쇄가 제거되며 파지가 증식하여 세포 사멸을 초래합니다. 이제 이 발견이 얼마나 혁명적인지 상상하기조차 어렵습니다.
Andre Lvov는 러시아 태생이며 그의 부모는 19세기 말에 프랑스로 이주했습니다. 과학자의 어머니 마리아 시미노비치(Maria Siminovich)의 이미지는 예술가 V. Serov "태양에 의해 조명된 소녀"(1888)의 캔버스에 영원히 포착되었습니다. Maria Yakovlevna Lvova-Siminovich는 90세까지 살았습니다. 제2차 세계 대전이 일어나기 몇 주 전에 그녀는 V. Serov의 편지와 그림을 Tretyakov 갤러리에 기증했습니다. Lvov의 아버지는 Mechnikov를 알고 있었고 그의 아들을 데리고 Pasteur Institute로 왔습니다. 이것이 바로 문화의 실이 여러 세기와 국가에 걸쳐 뻗어나가고 얽히는 방식입니다. A. Lvov는 긴 생애 동안 원생동물학자, 세균학자, 생화학자, 유전학자, 그리고 마지막으로 바이러스학자로 연속적으로 일했습니다. 파스퇴르 연구소에서 그는 오페론 발견으로 1965년 노벨상을 스승과 공유한 J. Monod와 F. Jacob을 후원했습니다.
이미 20년대부터 잠복 상태로 파지를 운반하고 때때로 세포 용해를 일으키는 것으로 추정되는 박테리아 계통이 알려졌습니다. 그러나 박테리오파지 F.D. Herrel의 발견자는 파지를 세포 치사 물질로만 보았고, 이 의견은 처음에는 분자 유전학의 고전인 M. Delbrück에 의해 공유되었습니다. 미국에 있는 그의 동료들은 박테리아의 염색체에 통합될 수 없는 소위 T-파지를 연구했습니다. "당국의 악마"로 인해 20년대 이후로 용원성(lysogeny)이 면밀히 연구되지 않았습니다. 파스퇴르 연구소의 뛰어난 미생물학자인 유진 볼만(Eugene Wolman)은 파리를 점령한 유대인으로 독일군에 체포되어 사망했습니다.
전쟁이 끝난 후 Lvov는 파스퇴르 연구소에서 잠재 파지 운반체에 대한 연구를 재개했습니다. 1953년에 그는 프로파지의 일관된 개념을 창안하여 암의 바이러스 이론과 인간의 여러 바이러스 병리에 대한 중요성을 즉시 깨달았습니다. 용원성 현상에 대한 그의 명확한 도표는 여전히 분자 유전학에 관한 모든 보고서에 나와 있습니다.
1958년에 F. Jacob과 Elias Wolman(Eugene Wolman의 아들)은 자유 상태로 존재할 수 있거나 숙주 게놈에 통합될 수 있는 요소에 대해 "에피솜"이라는 용어를 도입했습니다. 여기에는 온대 파지, 박테리아의 성 인자 및 대장균 생성 인자가 포함되어 있으며 일부 박테리아 균주가 다른 박테리아를 에피솜으로 죽이는 데 도움이 됩니다. 1961년에 쓰여진(그리고 유명한 유전학자인 S.I. Alikhanyan의 노력을 통해 러시아어 번역으로 다음 해에 출판된) 주목할만한 책 "박테리아의 성과 유전학"에서 저자들은 고등 유기체에 에피솜 같은 요소가 존재한다는 것을 영리하게 예견했습니다. 50년대 초 B. McClintock이 발견한 "제어 요소"를 가리킵니다(1983년 생리학 또는 의학 부문 노벨상). 그러나 당시 그들은 이 비유가 얼마나 깊은지 깨닫지 못했습니다. 70년대 초반 박테리아의 세포 게놈에 바이러스 DNA가 포함되어 발생하는 삽입 돌연변이가 발견된 후, 삽입 세그먼트, 트랜스포손, 플라스미드, 파지 등 진화적인 일련의 양방향 전환을 구축하는 것이 가능해졌습니다.
비슷한 일련의 변형이 진핵생물에서도 발견되었습니다. 초파리에서 집시("집시") 계열의 이동 요소는 염색체에 내장된 복사본 형태로 존재할 수 있습니다. 세포질에 완전하거나 축소된 원형 또는 선형 플라스미드의 형태가 있어야 하며; 마지막으로, 숙주 게놈의 개별적인 "허용" 돌연변이의 경우, 그들은 스스로를 외피로 덮을 수 있고 진정한 감염성 레트로바이러스가 되어 음식을 통해 외국 숙주를 감염시킬 수 있습니다. 초파리의 P-트랜스포손과 인간의 내인성 레트로바이러스 HIV의 유사성(표)을 통해 우리는 인간 집단에서 가능한 진화적 유전적 사건, 현재 피할 수 없는 운명과 미래에 외래 게놈과의 접촉을 예측할 수 있습니다.
기능성의 원리와 게놈의 일반화된 개념
전이 요소와 관련된 가변성의 많은 사실은 유전자좌의 구조, 수 또는 위치의 국지적 변화로서 돌연변이의 개념에 맞지 않습니다. 고전 유전학과 "이동" 유전학의 데이터를 결합하기 위해 1985년에 나는 두 가지 하위 시스템인 절대 요소(염색체 내 유전자와 그 조절 영역)와 조건 요소(DNA 및 RNA 운반체, 수)를 포함하는 게놈 요소의 자연적 분류를 제안했습니다. 그리고 지형은 같은 종의 다른 세포나 유기체에 따라 다릅니다).
이 분류에서 중요한 결과가 나오므로 유전 변이 분야에서 많은 특이한 사실을 이해하거나 공식화할 수 있습니다. 그 중 일부의 이름을 지정해 보겠습니다.
- 선택의 보편성. 골격만으로 구성된 살아있는 유기체가 없는 것처럼 필수 요소로만 구성된 종 게놈은 없습니다.
- 딸세포의 유전적 비동일성. 무작위성으로 인해 세포질 특성 요소의 수와 구성이 다릅니다. 절대 DNA 요소와 조건 DNA 요소의 비율은 상대적으로 안정적인 종 특성입니다. 비슷한 수의 유전자 좌위를 가지고 있지만 밀접하게 관련된 종은 DNA 양이 2~5배 이상 다를 수 있으며, 이로 인해 반복 블록이 증가하고 게놈 지형이 변경될 수 있습니다. 게놈의 절대 부분과 통성 부분 사이에는 다양한 전이가 지속적으로 관찰됩니다. 가장 명백한 예는 전치 요소의 도입(삽입) 또는 염색체 세그먼트 수의 증가(증폭)와 서로 다른 염색체 내 및 염색체 외 상태로의 전환으로 인한 유전자 돌연변이입니다.
- 두 게놈 하위 시스템 각각에 대한 유전적 변이의 특징적인 유형입니다. Morgan 돌연변이는 절대 구성요소와 쉽게 상관됩니다. 나는 선택적 요소의 수와 지형에 대한 다양한 유전적 변화를 "변형"(음악에서와 같이 주어진 주제에 대한 변주)이라고 부르기로 제안했습니다. 고전적인 개념에 따르면 돌연변이는 일반적으로 개인에게서 낮은 빈도로 무작위로 발생합니다. 변형의 성격은 완전히 다릅니다. 약한 비돌연변이 요인(온도, 식이 등)을 포함한 다양한 요인의 영향으로 대규모의 질서 있는 변화가 가능합니다.
- 가장 자연스러운 유전적 변화의 2단계 특성. 첫째, 환경변화에 가장 민감하게 반응하는 특성요소가 활성화된다. 그러면 유전자좌가 간접적으로 영향을 받기 시작합니다. 우리는 수년 동안 자연에서 돌연변이 발생을 관찰한 후에 이 결론에 도달했습니다. 그 중 대부분은 불안정한 것으로 밝혀졌으며 자연에서 때때로 신비롭게 활성화되는 전이 가능한 요소의 삽입으로 인해 발생했습니다. 초파리에서 자연이나 실험실에서 자연적으로 발생하는 돌연변이의 약 70%는 이동 요소의 움직임과 관련이 있습니다.
의무 요소와 조건 요소의 앙상블로서의 게놈에 대한 일반화된 아이디어는 또한 외래 유전자를 핵 염색체에 통합하는 것뿐만 아니라 "수평 전달"의 개념을 확장합니다. 새로운 특성과 특성이 나타나는 두 유전 시스템의 안정적인 결합을 만드는 경우 수평 이동에 대해 이미 이야기할 수 있습니다.
게놈의 기능적 특성
유전적 변화는 복제, 전사, 번역, 복구 및 재조합과 같은 살아있는 유기체의 유전 물질을 사용하여 작동하는 프로세스의 오류로 인해 발생합니다.
임의 복제는 세포 분열 중 전체 게놈 DNA의 계획된 정기적 복제와 관계없이 개별 DNA 섹션의 상대적으로 자율적인 과다 또는 저 복제 가능성을 의미합니다. 이염색질의 블록인 반복이 있는 염색체 부분에는 이러한 특성이 있습니다. 이 경우 자율 복제로 인해 개별 세그먼트 수가 증가하며 일반적으로 적응형 특성을 갖습니다.
전사 가능성은 주어진 유전자좌에 하나 이상의 프로모터와 대체 스플라이싱이 존재하기 때문에 동일한 주형에서 다른 mRNA가 나타날 가능성입니다. 이러한 상황은 많은 유전자에서 정상적인 현상입니다.
번역의 모호함(S.G. Inge-Vechtomov의 용어로)은 동일한 코돈 인식의 다양한 변형, 예를 들어 정지 코돈 또는 합성된 단백질에 특정 아미노산을 포함하는 코돈에서 나타납니다. 이러한 번역은 세포의 생리학적 조건과 유전자형에 따라 달라집니다.
M.E. Lobashev의 돌연변이 과정 이론에 따르면 돌연변이 발생은 세포 및 유전 구조의 손상 복구 능력과 관련이 있습니다. 따라서 돌연변이가 나타나기 전에 손상이 완전히 가역적이거나 "동일하지 않은 복구"로 이해되는 돌연변이 형태로 실현될 수 있는 상태가 선행됩니다. 70년대 초에 세포 내 DNA의 안정성은 DNA 분자 자체의 내재적 특성이 아니라 특수한 효소 시스템에 의해 유지된다는 것이 분명해졌습니다.
70년대 중반부터 DNA 복제 오류보다 훨씬 더 강력한 유전적 변화를 유도하는 '재조합 오류'의 진화적 역할이 더욱 명확해지기 시작했습니다.
분자 수준에서는 일반, 부위별, 복제의 세 가지 유형의 재조합이 구별됩니다. 첫 번째, 일반적이고 정기적인 재조합(교차)의 경우 복구에는 DNA 사슬의 끊어짐, 교차 연결 및 복원이 포함됩니다. DNA 상동성의 긴 영역이 필요합니다. 부위 특이적 재조합은 예를 들어 파지 l의 DNA 및 박테리아의 염색체와 같은 짧은 여러 염기, 상동성 영역으로 구성됩니다. 마찬가지로, 게놈에 이동 요소가 포함되고 면역글로불린 유전자 사이의 개체 발생에서 체세포 국소 재조합이 일어나서 놀라운 다양성을 만들어냅니다.
일반적인 재조합의 오류는 선형적으로 확장된 유전자 구조의 자연스러운 결과로 간주될 수 있습니다. Khesin이 쓴 딜레마가 발생합니다. 유사분열 재조합은 특별한 유형의 돌연변이 유발이거나 반대로 일부 유형의 돌연변이(염색체 이상)는 유사분열 재조합의 "오류"의 결과라고 가정할 수 있습니다.
전이 가능한 요소의 이동이나 영역의 재조합이 개체 발생에 프로그램되어 있는 경우 그러한 유전적 변화를 분류하기가 어렵습니다. 효모의 성전환은 오랫동안 돌연변이 사건으로 간주되어 왔지만, 자낭포자 발생의 특정 단계에서 부위별 재조합의 결과로 높은 확률로 발생하는 것으로 밝혀졌습니다.
환경 문제에 대응하는 게놈 변이
진화론과 유전학에서는 유전 변화와 선택 방향 사이의 연관성에 대한 문제가 항상 논의되어 왔습니다. 다윈주의와 후기다윈주의 사상에 따르면, 유전적 변화는 서로 다른 방향으로 일어나고 그 후에야 선택에 의해 선택됩니다. Lederberg 부부가 50년대 초반에 발명한 복제 방법은 특히 시각적이고 설득력이 있는 것으로 나타났습니다. 벨벳 소재를 사용하여 그들은 페트리 접시에 박테리아를 실험적으로 접종한 정확한 복사본(지문)을 얻었습니다. 그런 다음, 플레이트 중 하나에서 파지에 대한 저항성을 선택하고, 파지가 있는 플레이트와 대조구에서 저항성 박테리아의 출현 지점의 지형을 비교했습니다. 파지 저항성 콜로니의 위치는 두 복제 접시에서 동일했습니다. 대사산물에 결함이 있는 박테리아의 양성 돌연변이를 분석할 때도 동일한 결과가 얻어졌습니다.
이동 유전학 분야의 발견은 통합 시스템인 세포가 선택 중에 게놈을 적응적으로 재배열할 수 있음을 보여주었습니다. 그녀는 적극적인 유전자 검색을 통해 환경의 도전에 대응할 수 있으며, 생존을 가능하게 하는 무작위 돌연변이 발생을 수동적으로 기다리지 않습니다. 그리고 Lederberg 배우자의 실험에서 세포는 죽음이나 적응 돌연변이 중 선택의 여지가 없었습니다.
선택 요인이 치명적이지 않은 경우 선택 조건과 직간접적으로 관련된 점진적인 게놈 재배열이 가능합니다. 이는 70년대 후반에 세포 분열을 차단하는 선택제에 대한 저항성 유전자가 위치하는 유전자좌의 수가 점진적으로 증가한다는 사실이 발견되면서 분명해졌습니다. 세포 분열 억제제인 메토트렉세이트는 악성 세포의 성장을 막기 위해 의학에서 널리 사용되는 것으로 알려져 있습니다. 이 세포 독은 특정 유전자에 의해 작동이 제어되는 DHFR(dihydrofolate reductase) 효소를 비활성화합니다.
세포 증식 억제 독(메토트렉세이트)에 대한 리슈만편모충 세포의 저항성은 단계적으로 증가했으며, 저항성 유전자가 있는 증폭된 세그먼트의 비율도 비례적으로 증가했습니다. 선택된 유전자뿐만 아니라 이에 인접한 앰플리콘(amplicon)이라고 불리는 DNA의 큰 부분도 증폭되었습니다. 레슈마니아 독에 대한 저항성이 1000배 증가했을 때, 증폭된 염색체외 부분은 세포 내 DNA의 최대 10%를 차지했습니다! 우리는 하나의 필수 유전자로부터 기능 요소 풀이 형성되었다고 말할 수 있습니다. 선택 중에 게놈의 적응형 재구성이 발생했습니다.
선택이 충분히 오랫동안 지속되면 앰플리콘 중 일부가 원래 염색체에 통합되고, 선택이 중단된 후에도 증가된 저항성은 지속적으로 유지됩니다.
환경에서 선택 물질이 제거됨에 따라 저항성 유전자가 있는 앰플리콘의 수는 여러 세대에 걸쳐 점차 감소했으며 동시에 저항성도 감소했습니다. 따라서 환경으로 인한 대규모 변화가 유전되지만 여러 세대에 걸쳐 점차 사라지는 장기적인 변형 현상이 모델화되었습니다.
반복 선택 과정에서 세포질에 보존된 일부 앰플리콘은 신속한 자율 복제를 보장했으며 실험 시작 시보다 저항이 훨씬 빠르게 발생했습니다. 즉, 보존된 앰플리콘을 기반으로 과거 선택의 고유한 세포 앰플리콘 메모리가 형성되었습니다.
복제방법과 증폭의 경우 저항성 선택과정을 비교해 보면 게놈의 변형을 일으키는 선택인자와 접촉한 것으로 나타났으며, 그 성질은 선택의 강도 및 방향과 연관되어 있음이 밝혀졌다 .
적응 돌연변이에 대한 토론
1988년에 J. Cairns와 공동 저자는 박테리아 E. coli에서 선택 의존적 "지정 돌연변이"의 발생에 관한 논문을 Nature지에 게재했습니다. 우리는 유당 오페론의 lacZ 유전자에 돌연변이가 있어 이당류 유당을 분해할 수 없는 박테리아를 채취했습니다. 그러나 이들 돌연변이체는 포도당이 포함된 배지에서 분열할 수 있었으며, 1~2일 동안 성장한 후 유당이 포함된 선택 배지로 옮겨졌습니다. 예상대로 "포도당" 분열 중에 발생하는 lac+ 역전을 선택하면 성장하지 않는 세포를 탄수화물 결핍 상태에 두었습니다. 처음에는 돌연변이가 죽었습니다. 그러나 일주일 이상이 지나면 특히 lacZ 유전자에서 역전이 발생하여 새로운 성장이 관찰되었습니다. 이는 마치 심각한 스트레스 조건에 있는 세포가 분열(!)하지 않고 유전자 검색을 수행하고 적응적으로 게놈을 변경하는 것과 같았습니다.
B. Hall의 후속 연구에서는 트립토판 활용 유전자(trp)에 대한 박테리아 돌연변이를 사용했습니다. 이를 트립토판이 없는 배지에 놓고 정상으로의 복귀 빈도를 평가했는데, 이는 트립토판 기아 동안 정확하게 증가했습니다. 그러나 이 현상의 원인은 기아 상태 자체가 아니었습니다. 왜냐하면 시스테인 기아가 있는 배지에서는 trp+로의 복귀 빈도가 표준과 다르지 않았기 때문입니다.
다음 일련의 실험에서 Hall은 trpA 및 trpB 유전자에 두 가지 돌연변이를 모두 갖고 있는 이중 트립토판 결핍 돌연변이를 취하여 다시 트립토판이 없는 배지에 박테리아를 배치했습니다. 두 개의 트립토판 유전자에서 동시에 반전이 발생한 개체만이 생존할 수 있었습니다. 그러한 개인의 발생 빈도는 두 유전자의 돌연변이가 단순 확률적으로 일치할 때 예상되는 것보다 1억 배 더 높았습니다. Hall은 이 현상을 "적응 돌연변이"라고 부르는 것을 선호했으며 이후 효모에서도 발생한다는 것을 보여주었습니다. 진핵생물에서.
Cairns와 Hall의 출판물은 즉시 열띤 논쟁을 불러일으켰습니다. 첫 번째 라운드의 결과는 이동 유전학 분야의 선도적인 연구자 중 한 명인 J. Shapiro의 발표였습니다. 그는 두 가지 주요 아이디어를 간략하게 논의했습니다. 첫째, 세포에는 게놈을 재구성할 수 있는 생화학적 복합체, 즉 "자연 유전 공학" 시스템이 포함되어 있습니다. 다른 세포 기능과 마찬가지로 이러한 복합체의 활동도 세포의 생리에 따라 극적으로 변할 수 있습니다. 둘째, 유전적 변화의 발생 빈도는 항상 하나의 세포에 대해 평가되는 것이 아니라 세포가 서로 유전 정보를 교환할 수 있는 세포 집단에 대해 평가됩니다. 또한 바이러스에 의한 세포간 수평 이동이나 DNA 세그먼트의 이동은 스트레스 조건 하에서 향상됩니다. Shapiro에 따르면 이 두 가지 메커니즘은 적응 돌연변이 현상을 설명하고 이를 기존 분자 유전학의 주류로 되돌립니다. 그의 의견으로는 토론 결과는 무엇입니까? "우리는 DNA 분자를 재구성하기 위한 인상적인 일련의 복잡한 분자 도구를 가진 유전공학자를 그곳에서 찾았습니다." .
최근 수십 년 동안 신다윈주의 현대 종합의 창조를 지배했던 기계화된 접근 방식보다는 컴퓨터 기술과 더 잘 어울리는 세포 수준에서 예측하지 못한 복잡성과 조정의 영역이 드러났습니다. 샤피로에 이어 세포의 생물학적 과정에 대한 이해를 변화시킨 적어도 네 가지 발견 그룹이 있습니다.
게놈 조직.진핵생물에서 유전자 좌위는 전체 게놈에 공통적인 조절 및 코딩 모듈의 구조를 나타내는 모듈식 원리에 따라 배열됩니다. 이는 새로운 구조의 신속한 조립과 유전자 앙상블의 조절을 보장합니다. 유전자좌는 주요 스위치 유전자(성 조절이나 눈 발달의 경우처럼)에 의해 주도되는 계층적 네트워크로 구성됩니다. 더욱이, 많은 하위 유전자는 서로 다른 네트워크에 통합되어 있습니다. 즉, 이들은 서로 다른 발달 시기에 기능하고 많은 표현형 특성에 영향을 미칩니다.환경적 도전 조건에서 세포는 컴퓨터처럼 의도적으로 작동하며, 시작 시 주요 프로그램의 정상 작동을 단계별로 확인하고, 오작동이 발생하는 경우 컴퓨터 작동을 중지합니다. 일반적으로, 프랑스의 독특한 진화동물학자인 폴 그라스(Paul Grasse)가 옳았다는 것이 이미 세포 수준에서 명백해졌습니다. “산다는 것은 피해자가 되는 것이 아니라 반응하는 것을 의미합니다.”세포의 회복 능력.세포는 복제, 전사 및 번역 수준의 복구 시스템을 갖추고 있기 때문에 무작위 물리화학적 영향의 수동적 희생자가 아닙니다.
이동 유전 요소 및 자연 유전 공학.면역체계의 작업은 자연 생명공학 시스템(효소: 뉴클레아제, 리가아제, 역전사효소, 중합효소 등)의 작용을 기반으로 하는 면역글로불린 분자의 새로운 변이체의 지속적인 구성을 기반으로 합니다. 동일한 시스템은 모바일 요소를 사용하여 상속 가능한 새로운 구조를 만듭니다. 동시에, 유전적 변화는 거대하고 질서정연할 수 있습니다. 게놈 재구성은 기본적인 생물학적 과정 중 하나입니다. 자연적으로 유전자 조작된 시스템은 피드백 시스템에 의해 규제됩니다. 당분간은 비활성 상태로 유지되지만 주요 기간이나 스트레스가 발생하는 동안에는 행동에 나섭니다.
셀룰러 정보 처리.아마도 세포 생물학에서 가장 중요한 발견 중 하나는 세포가 성장, 이동 및 분화에 대한 결정을 내리기 위해 내부 상태와 외부 환경에 대한 정보를 지속적으로 수집하고 분석한다는 것입니다. 특히 성장과 발달의 기초가 되는 세포 분열 조절 메커니즘을 시사합니다. 유사분열 과정은 고등 유기체에서 보편적이며 세 가지 연속 단계, 즉 분열 준비, 염색체 복제 및 세포 분열 완료를 포함합니다. 이들 단계의 유전자 제어를 분석함으로써 세포가 DNA 구조의 위반 복구가 이전 단계에서 발생했는지 여부를 확인하는 특별한 지점을 발견하게 되었습니다. 오류가 수정되지 않으면 다음 단계가 시작되지 않습니다. 손상을 제거할 수 없으면 유전적으로 프로그램된 세포 사멸 시스템, 즉 세포사멸 시스템이 시작됩니다.
환경-조건 요소-의무 요소 시스템에서 자연적인 유전 변화가 발생하는 방식. 특성 요소는 비돌연변이성 환경 요인을 가장 먼저 인식하고, 발생하는 변이가 돌연변이를 유발합니다. 조건 요소의 동작은 의무 요소의 영향도 받습니다.
세포증식억제제 선택의 영향으로 발생하고 유전자 증폭으로 이어지는 비정규 유전적 변화입니다.
획득한 특성은 유전됩니다.
"생물학의 역사에서 후천적 특성의 유전 또는 비상속성에 대한 논의보다 수세기 동안 문제에 대한 논의를 더 잘 표현한 예는 없습니다."-이 단어는 유명한 세포학자이자 생물학 역사가 L.Ya.Blyakher의 책 시작 부분에 나타납니다. 역사상 아마도 화학 원소를 변형시키려는 시도와 비슷한 상황을 떠올릴 수 있을 것입니다. 연금술사들은 이러한 가능성을 믿었지만 화학에서는 화학 원소의 불변성에 대한 가정이 확립되었습니다. 그러나 오늘날 핵물리학과 화학에서는 원소의 변형과 진화 분석에 대한 연구가 일반화되어 있습니다. 수세기에 걸친 논쟁에서 누가 옳았습니까? 화학적 분자 상호 작용 수준에서는 요소의 변형이 없지만 핵 수준에서는 이것이 규칙이라고 말할 수 있습니다.
개체 발생 중에 나타난 특성의 유전 문제에서도 비슷한 비유가 발생합니다. 새로 나타나는 유전적 변화가 유전자와 염색체의 돌연변이로만 축소된다면 문제는 닫힌 것으로 간주될 수 있습니다. 그러나 동적 유전 개념을 포함해 일반화된 게놈 개념에서 출발한다면 문제는 수정될 필요가 있다. 돌연변이 외에도 DNA 텍스트의 변화가 아니라 유전자 상태의 변화와 관련된 유전적 변이의 변이 및 후성 유전적 형태가 있습니다. 이러한 효과는 되돌릴 수 있고 유전될 수 있습니다.
1991년 말에 출판된 유전학에 관한 국제 연감(International Yearbook on Genetics)이 O. Landman의 "습득 특성의 상속"이라는 기사로 시작된다는 점은 흥미롭습니다. 저자는 오래전 유전학에서 얻은 사실을 요약하여 보여줍니다. “후천적 특성의 유전은 현대 분자 유전학 개념과 상당히 양립 가능합니다.” Landman은 획득된 특성의 상속이 확립된 약 10가지 실험 시스템을 자세히 조사했습니다. 네 가지 다른 메커니즘이 이를 유발할 수 있습니다. 섬모충에서 T. Sonneborn이 연구한 세포막 또는 피질의 구조 변화; DNA 변형, 즉 클론에 의해 전달되는 국소 DNA 메틸화 특성의 변화(여기에는 각인 현상이 포함됨) DNA 변형이 없는 후성유전학적 변화; 선택적 요소의 손실 또는 획득을 유도합니다.
Landman의 기사는 바위처럼 흔들리지 않는 유전학 가정의 중요한 변화 시기를 우리에게 목격하게 합니다. 저자는 흥분이나 새로운 놀라운 사실 없이 차분하게 기존 데이터와 새로운 데이터를 시스템으로 결합하여 명확하고 현대적인 해석을 제공합니다. 일반적인 원칙이 공식화될 수 있습니다. 특정 표현형 특성이 기능 요소의 수나 지형에 따라 달라지는 경우 획득 특성의 상속이 가능합니다.
나는 Drosophila에 대한 두 가지 유익한 예를 제시할 것입니다. 첫 번째는 시그마 바이러스의 행동과 관련이 있고 두 번째는 여성의 잡종 불임과 초 돌연변이 가능성을 담당하는 이동 요소와 관련이 있습니다.
시그마 바이러스와 초파리 게놈의 상호작용에 대한 연구는 60여년 전에 시작되었습니다. 첫째, 1937년에 프랑스의 유전학자 F. Léritier는 이산화탄소(CO 2 )에 대한 민감도의 정도에 있어서 파리의 여러 계통에서 뚜렷한 유전적 차이를 발견했습니다. 이 특성은 기이한 방식으로 유전되었습니다. 즉, 세포질을 통해 유전되었지만 모계를 통해서만 유전되는 것이 아니라 때로는 남성을 통해서도 유전되었습니다. 다양한 유형의 초파리에 혈림프를 주입하여 민감도를 전달할 수도 있습니다. 이러한 경우에는 형질이 안정적으로 전달되지는 않으나, 선택의 결과로 유전이 안정되게 된다.
선택적 게놈 요소의 집단에 의존하는 초파리의 특성에 대한 비멘델적 유전입니다. CO2에 대한 민감성의 징후는 파리의 세포질에 랍도바이러스 시그마가 존재하기 때문에 발생합니다. 초파리 발달 초기 단계의 온도 충격으로 인해 바이러스의 번식이 차단되고 성장한 개체는 이에 대한 저항력을 얻습니다.CO 2 에 대한 민감성은 포유동물의 광견병 바이러스와 많은 특성이 유사한 RNA를 함유한 총알 모양의 랍도바이러스 시그마의 배아 및 체세포에서의 안정적인 재생산과 관련이 있습니다. 안정화된 계통의 암컷에서 Oogonia(감수분열 및 성숙 중에 알이 형성되는 세포)에는 일반적으로 10-40개의 바이러스 입자가 포함되어 있으며 난모세포(성숙한 알)는 1-1000만 개가 전형적인 통성 요소입니다. 게놈의 돌연변이는 복잡한 형태의 시스템 동작을 초래합니다. 초파리가 CO2에 대한 저항성을 유지하면서 동시에 다른 바이러스 계통에 의한 감염에 면역성을 갖는 바이러스 운반 사례가 발견되었습니다. 상황은 F. Jacob과 E. Wolman이 즉시 알아차린 파지-박테리아 시스템의 행동과 매우 유사합니다.
초파리 게놈과 세포질에서 번식하는 바이러스 사이의 관계는 세포내 유전학의 규칙을 따릅니다. 개체 발생 중 영향은 입자의 수와 세포 간 지형을 변화시키고 결과적으로 이산화탄소에 대한 민감도를 변화시킬 수 있습니다. 따라서 온도가 상승하면 바이러스 입자의 복제가 차단됩니다. 배우자 형성 동안 암컷과 수컷이 며칠 동안 30°C의 온도에 보관된다면, 그러한 파리의 자손은 바이러스가 없고 CO2에 대한 저항력을 갖게 됩니다. 이는 개인 발달 과정에서 획득한 특성이 여러 세대에 걸쳐 유전된다는 의미입니다.
시그마 바이러스의 상황은 고립되지 않았습니다. 프랑스 유전학자들은 유형 "I" 이동 요소의 행동과 관련된 여성 불임 요인을 연구했습니다. 이 특성의 유전은 복잡한 핵-세포질 상호작용에 의해 결정됩니다. 활성 I 요소가 부계 염색체에 국한되면 R 세포질의 배경에 대해 활성화되기 시작하고 여러 번 전이되어 결과적으로 민감한 세포질을 가진 암컷의 자손에게 심각한 개체 발생 장애를 유발합니다. 그러한 암컷은 알을 낳지만 일부 배아는 분열 초기 단계, 심지어 할구가 형성되기 전에 죽습니다. 자연 개체군에서 분리된 계통은 I-인자의 작용 강도와 세포질의 반응성(또는 민감도) 정도가 다릅니다. 이러한 지표는 외부 영향에 의해 변경될 수 있습니다. 원래의 부모 암컷의 나이와 발달 초기에 온도 상승에 대한 노출은 성장한 암컷의 번식력뿐만 아니라 자손의 번식력에도 영향을 미칩니다. 환경 조건으로 인한 세포질 반응성의 변화는 여러 세포 세대에 걸쳐 유지됩니다. "가장 주목할만한 점은 비유전적 요인의 영향으로 세포질 반응성의 이러한 변화가 유전된다는 것입니다. "후천적" 특성의 유전이 관찰됩니다."- R.B. Khesin을 언급했습니다.
세포질을 통한 상속 : 할머니에서 손자까지
20세기의 발달 이론과 현상발생학에서. 발생 학자 P.G. Svetlov (1892-1972)의 깊고 완전히 독창적 인 연구가 중요한 위치를 차지하고 있습니다. 그에 의해 개발된 개체발생의 정량화 이론(형태발생 과정의 결정이 발생하고 동시에 손상 물질에 대한 세포의 민감도가 증가하는 발달에 결정적인 시기의 존재)과 다음에서 개발된 아이디어에 대해 생각해 보겠습니다. 이와 관련하여 개체 발생에 대한 연구는 수정 및 접합체 형성의 순간부터 수행되어서는 안되며, 이전 세대 여성의 난자 발생을 포함한 배우자 발생, 즉 전배아 기간에서도 수행되어서는 안됩니다.
이러한 가정을 바탕으로 Svetlov는 60년대 초파리와 생쥐를 대상으로 간단하고 명확한 실험을 수행했습니다. 그는 세포질 특성의 지속적인 비멘델식 유전이 가능하며 유기체 발달의 중요한 기간 동안 단기적인 외부 영향 후에 발생한 돌연변이 형질 발현의 변형도 여러 세대에 걸쳐 전달된다는 것을 설득력 있게 보여주었습니다.
일련의 실험 중 하나에서 그는 소안구증의 열성 돌연변이(출생 순간부터 망막과 눈의 크기 감소)에 대해 이형접합체 두 계통의 쥐의 자손에서 돌연변이 특성의 발현 정도를 비교했습니다. 어머니가 돌연변이인 표현형과 아버지가 돌연변이인 표현형. 돌연변이 할머니의 자손은 그 특성이 더 강하게 나타나는 것으로 구별되었습니다. Svetlov는 이형접합성 여성의 여성 배우자가 여전히 돌연변이 어머니의 몸에 있고 영향을 받아 손자의 돌연변이가 증가했다는 사실로 이 이상한 사실을 설명했습니다.
본질적으로 Svetlov는 나중에 "게놈 각인"으로 알려지게 된 현상, 즉 유전자가 어머니로부터 자손에게 왔는지 아버지로부터 왔는지에 따라 유전자 발현의 차이를 확립했습니다. 아쉽게도 이러한 작품은 여전히 과소평가되었습니다.
흥미로운 점은 80년대 후반에 이 현상의 연구자인 K. Sapienza가 재치 있게 언급했듯이 각인이 “이것은 일반적으로 유전적 호기심으로 간주되며 극소수의 특성에만 영향을 미칩니다. 왜 그렇게 하찮은 현상에 시간을 낭비하느냐는 질문을 여러 번 받았습니다.”. 대부분의 연구자들은 멘델의 주요 조항 중 하나인 "세균", 즉 유전자는 성별에 따라 효능을 변경할 수 없다는 점을 무조건적으로 받아들였으며, 이는 일반적으로 관찰되는 3:1 분할의 기반이 됩니다. 그러나 Sapienza는 멘델의 분리를 분석할 때 일반적으로 특성의 존재 여부만 고려하며, 그것이 정량적이라면 경계를 고려한다는 점을 매우 올바르게 지적했습니다. 예 혹은 아니오허용되는 임계값에 따라 설정됩니다. 특성의 발현 정도를 결정하면 게놈 각인의 영향이 드러납니다.
이것이 바로 Svetlov가 모계 유전자형에 따라 자손의 형질 발현이 어떻게 변하는지 주의 깊게 연구했을 때의 접근 방식이었습니다. 발생학자로서 그는 주어진 특성의 구현을 담당하는 동일한 형태발생 장치가 영향을 받는 경우 유전적 변화와 특수 비유전적 변화, 즉 표현형(돌연변이 시뮬레이션)의 공통성을 보았습니다.
Svetlov는 처음으로 다양한 동물 종(초파리 및 생쥐)을 사용하여 돌연변이 유전자 발현의 변경된 성격의 감수분열을 통한 유전 가능성을 보여주었습니다. Khesin이 요약에서 이러한 작품을 훌륭하다고 말한 것은 아무것도 아닙니다.
8일 된 암컷 쥐의 몸을 단기간(20분) 가열하면 난모세포에 지속적인 변화가 생겨 손주에게 해로운 돌연변이의 영향이 약화됩니다! "가열 실험에서 관찰된 눈 발달 개선의 전이는 가열된 암컷의 난모세포에서 유전에 의해 획득된 특성의 전이로만 설명될 수 있습니다.". Svetlov는 이 현상을 동물의 난 형성 및 구조의 특성과 연관시켰습니다. "난모세포에는 건설 중인 유기체의 건축학의 가장 일반적인 특징을 반영하는 프레임이 있습니다."인간의 발달 장애를 예방하기 위해 그는 손상에 대한 민감도가 증가하는 배우자 형성의 중요한 기간을 연구할 필요성을 입증했습니다. 아마도 인간의 발달 이상의 발병 기전에서 배우자 형성 단계는 배아 발생보다 훨씬 더 중요합니다.
여러 세대의 쥐에서 돌연변이 소안구증의 전염을 보여주는 P.G. Svetlov의 실험 계획. 8일 된 돌연변이 생쥐를 고온에 20분간 한 번 노출시키면 새끼(F1 및 F2)의 눈 발달이 향상됩니다. 이 특성은 모계를 통해서만 유전되며 난모세포의 변화와 관련이 있습니다.오늘날 이 결론은 지난 10년간의 분자유전학 연구를 통해 확인되었습니다. 초파리는 세포질의 축상 및 극성 이질성을 형성하고 생물학적 활성 유전자 산물의 분포 구배를 형성하는 세 가지 모계 유전자 시스템을 가지고 있습니다. 수정이 시작되기 오래 전에 구조 계획과 초기 발달 단계에 대한 분자 결정(예정)이 발생합니다. 산모 세포의 유전자 산물은 난모세포 형성에 중요한 역할을 합니다. 어떤 면에서 이것은 벌집에서 여왕벌에게 먹이를 주는 일벌 그룹에 비유될 수 있습니다.
인간의 경우 난생세포가 발생하는 일차 생식세포는 2개월 된 배아에서 분리되기 시작합니다. 생후 2.5개월이 되면 감수분열에 들어가지만 출생 직후 이 분열이 차단됩니다. 이는 14~15년 후에 사춘기가 시작되면서 재개되며, 이때 한 달에 한 번씩 난포에서 난자가 배출됩니다. 그러나 두 번째 분열이 끝나면 감수분열은 다시 멈추고 정자와 만날 때만 막힌 부분이 제거됩니다. 따라서 여성의 감수분열은 2.5개월에 시작되어 수정 직후인 20~30년 이상이 지나서야 끝납니다.
2~8개 세포 단계의 접합체는 게놈 면역을 약화시켰습니다. 초파리의 자연 개체군에서 불안정한 삽입 돌연변이를 연구할 때 우리는 돌연변이 전이를 동반하는 전이 요소의 활성화가 접합체의 첫 번째 분열 또는 원시 생식 세포의 첫 번째 분열에서 이미 발생하는 경우가 많다는 것을 발견했습니다. 결과적으로 하나의 돌연변이 사건은 즉시 일차 생식 세포의 클론을 포착하고, 배우자의 풀은 모자이크가 되며, 자손의 유전적 변화는 다발이나 클러스터로 발생하여 가족 유전을 시뮬레이션합니다.
이러한 실험은 특정 바이러스 전염병이 자손의 유전자 풀에 미치는 영향 정도에 대한 의문이 제기될 때 역학에 매우 중요합니다. 60년대 초반에 시작된 S.M. Gershenzon과 Yu.N. Aleksandrov의 선구적인 연구는 DNA 및 RNA 바이러스와 그 핵산이 강력한 돌연변이 유발 물질이라는 결론을 내렸습니다. 세포에 들어가면 게놈 스트레스를 유발하고 숙주의 이동 요소 시스템을 활성화하며 각 물질에 특이적으로 선택된 유전자좌 그룹에 불안정한 삽입 돌연변이를 일으킵니다.
이제 우리가 인간의 유전적 다양성에 대한 바이러스성 전염병(예: 인플루엔자)의 영향을 평가하고 싶다고 상상해 보십시오. 동시에, 전염병 발생 후 1년 또는 1년 후에 태어난 자손의 경우 1세대에서 다양한 유형의 발달 이상 빈도가 증가할 것으로 예상할 수 있습니다. 생식세포(생식세포)의 돌연변이 및 변이 변화 빈도에 대한 평가는 손자 세대에서 수행되어야 합니다.
세 연속 여성 세대의 난자 생성 계획. P - 할머니, F1 - 어머니, F2 - 딸.
전반적인 결론은 손자의 유전적 변이가 할머니의 난자 형성 조건에 크게 의존할 수 있다는 것입니다! 2000년에 25세쯤 되었고, 3000년에는 엄마가 될 여성을 상상해 봅시다. 그녀 자신이 태어난 수정란은 그녀의 어머니가 아직 2개월 된 배아였을 때 형성되기 시작했습니다. 20세기 50년대 중반쯤. 그리고 이 기간 동안 독감이 만연했다면 그 결과는 한 세대 내에 느껴져야 합니다. 인류의 유전자 풀에 대한 세계적인 전염병의 결과를 평가하려면 전염병이 발생한 해에 할머니가 임신한 손자와 이전에 할머니가 임신한 손자, 즉 세 그룹 또는 집단의 손자를 비교할 필요가 있습니다. 그리고 팬데믹 이후(이들은 두 개의 통제 코호트입니다). 불행하게도 건강 보호에 중요한 이러한 역학적, 유전적 정보는 아직까지 제공되지 않습니다.
유령과 싸우는 괴물에 대하여
기술적으로는 단순하지만 개념은 독창적이고 결론은 심오한 스베틀로프의 실험 이후 30년이 지났습니다. 90년대 중반에는 심리적 전환점이 발생했습니다. 제목에 '후생유전학'이라는 단어가 포함된 유전 변이 분야의 작품 수가 급격히 증가했습니다.
다양한 유형의 후성 돌연변이(DNA 텍스트의 변화와 관련이 없고 거대하고 방향성이 있으며 가역적인 유전자 활동 특성의 유전적 변이)가 한계 범주에서 적극적으로 연구되는 현상으로 옮겨졌습니다. 살아있는 시스템에는 환경과 지속적으로 접촉하고 한 기능 모드에서 다른 기능 모드로 빠르게 유전되는 전환을 위해 자연 배아유전 공학 수단을 사용하는 작동 "기억"이 있다는 것이 분명해졌습니다. 생명체는 자연 선택의 수동적 희생자가 아니며 모든 진화 형태의 생명체는 그렇지 않습니다. “짧은 하루의 실종에 대한 오점”, Mandelstam이 그의 유명한 걸작 "Lamarck"에서 쓴 것처럼 말입니다.
후성 돌연변이는 일반적인 "고전적 유전자"에서 흔히 발견될 수 있다는 것이 밝혀졌습니다. 적절한 실험 시스템을 선택하기만 하면 됩니다. Morgan이 Drosophila에 대한 연구를 시작하기 5년 전인 1906년에 프랑스의 진화 생물학자인 L. Cano는 생쥐에서 멘델의 돌연변이 "황체"를 발견했습니다. 그것은 놀라운 특징을 가지고 있었습니다 - 정상적인 색깔(회색-갈색)에 대한 우세와 동형접합체의 치사율. 이형접합성 황색쥐를 교배시키면 동형접합체가 죽게 되어 정상적인 생쥐가 3:1이 아닌 2:1의 비율로 자손에 출현하게 된다. 결과적으로, 많은 우성 돌연변이가 다른 유기체에서 이런 식으로 행동한다는 것이 밝혀졌습니다.
"황체" 유전자의 대립 유전자 중 하나의 전사 영역에 구조와 특성이 레트로바이러스와 유사한 이동 요소가 도입된 것으로 나타났습니다. 이 삽입의 결과로 유전자는 침입자의 구두점을 따르기 시작했고 예측할 수 없을 정도로 활성화되었습니다. "잘못된 시간과 잘못된 장소에서."삽입된 돌연변이는 여러 가지 결함(노란색 털 착색, 비만, 당뇨병 등)이 발생하고 행동이 불안정해집니다. 불필요한 삽입 활동은 DNA 염기의 가역적 변형이나 메틸화에 의해 다양한 조직에서 다양한 정도로 약화됩니다. 표현형 수준에서 우성 대립유전자의 발현은 매우 다양하며 사실상 모자이크 형태입니다. 호주 유전학자들은 균질한 계통에서 선택된 노란색 암컷의 새끼가 노란색 쥐를 더 많이 갖고 있으며, 돌연변이를 보유한 아버지의 표현형이 자손의 색 변화에 영향을 미치지 않는다는 사실을 발견했습니다. 암컷은 더 활동적이지 않은 것으로 밝혀졌으며 DNA 변형 표현형 또는 각인을 위해 선택된 암컷은 난자 형성에서 더 잘 보존되었습니다. 다른 유전학자들도 Svetlov의 실험에서 발견된 것과 유사한 순전히 모성 영향을 발견했습니다. 임신한 여성의 식단에 따라 이형접합체의 유전자형에서 "황체" 돌연변이의 심각도가 특정 방식으로 변경되었습니다. 이 변경된 상태는 불안정하지만 자손에게 유전되었습니다. 특성의 발현 정도는 삽입물에 있는 DNA 염기의 메틸화 정도와 상관관계가 있습니다.
이러한 실험과 기타 유사한 실험을 언급하면서 사이언스(Science) 잡지의 한 과학 칼럼니스트는 자신의 기사 제목을 "라마르크는 여전히 약간 옳았는가?(Was Lamarck Still a Little Right?)"라고 붙였습니다. 그러한 재치는 이해할 수 있습니다. 첫째, 수십 년 동안 확고하게 확립되어 온 내용을 개정하는 경우에는 주의가 필요합니다. 둘째, 획득된 특성의 상속은 Lamarck의 이름뿐만 아니라 Lysenko의 유령과도 관련이 있습니다(후자는 메모 작성자가 언급함). 실제로, 원하든 원하지 않든, 후천적 특성의 유전 문제가 논의될 때 "미추린 생물학"의 그림자가 나타납니다. 그리고 Lysenko의 지배와 관련된 생물학의 비극에 대한 기억이 여전히 생생한 러시아에서만이 아닙니다.
오늘날 Lysenko가 거부한 고전 유전학의 일반적으로 받아들여지는 많은 조항은 그에 반하여 무의식적으로 거의 절대적인 진실로 간주되었습니다. 그러나 이 사람 또는 저 진지한 연구자가 리센코의 견해와 일치하는 무언가를 외부적으로 발견하면 그는 과학계에서 배척당할 것을 두려워하여 이를 공개하는 것을 두려워했습니다. 그리고 그 작품이 출판되었다 하더라도 그것은 많은 의구심을 동반했고 과학의 주변부에 남아 있었습니다.
60년대 A.A. Lyubishchev(Svetlov의 가장 친한 친구)의 기사를 알게 된 나는 1953년부터 1965년까지 Lysenkoism에 대한 가장 활동적인 samizdat 비평가 중 한 명인 그의 기사와 편지가 책에 수집된 이유를 이해하려고 노력했습니다. 과학 방어”(L., 1990) – 그럼에도 불구하고 그는 획득 특성의 상속 문제가 최종적으로 해결될 것이라고 생각하지 않았습니다. 진화 생물학 분야에서 널리 인정받는 이 전문가는 유전 이론의 불완전성과 유전 및 변형 변이의 유사성을 지적했습니다. 이제 우리는 많은 경우에 그들 사이에 선을 긋는 것이 얼마나 어려운지 알고 있습니다. Lyubishchev는 진화 과정에서 표현형이 거대하고 신속하며 질서정연하게 변형되었다는 사실을 인용했는데, 이는 모건의 돌연변이와 다윈주의 선택의 관점에서는 분명히 설명할 수 없습니다. Lysenko의 독점에 반대하는 목소리를 높이면서 Lyubishchev는 과학 자체를 옹호하고 그 안에 자리 잡은 Arakcheev 정권에 반대하는 입장을 밝혔습니다. 과학 분야 자체에서 그는 고대 원칙을 따랐습니다. "플라톤은 내 친구지만 진실은 더 소중합니다."
9. 매클린톡 B.// 과학. 1984. V.226. P.792-801.
10. 케언즈 J.//자연. 1988. V.27. P.1-6.
11. 홀 D.// 유전학. 1990. V.126. P.5-16
12. 샤피로 J.// 과학. 1995. V.268. P.373-374.
12. Blyakher L.Ya.획득된 특성의 유전 문제. 엠., 1971.
13. 랜드맨 O.//앤. Genet 목사. 1991. V.25. P.1-20.
14. 소콜로바 K.B. 20세기 전반기의 현상발생학의 발전. 엠., 1998.
15. 사피엔자 K.// 과학의 세계에서. 1990. ?12. P.14-20.
16. 스베틀로프 P.G.// 유전학. 1966. ?5. P.66-82.
17. 코로치킨 L.I.발달 유전학 소개. 엠., 1999.
2011년 9월 5일 9시 36분에 Limarev는 다음과 같이 말했습니다.
리마레프 V.N.
인간 게놈을 해독합니다.
L.G. 의 책 일부 푸치코: “인간의 방사선학적 인식”
게놈 해독 문제를 해결하기 위해 수십억 달러의 예산을 들여 국제 프로젝트인 '인간 게놈'이 조직되었습니다.
2000년에는 인간 게놈 지도가 사실상 완성되었습니다. 유전자를 계산하고 식별하여 데이터베이스에 기록했습니다. 이것은 엄청난 양의 정보입니다.
인간 게놈을 디지털 형식으로 기록하려면 약 300테라바이트의 컴퓨터 메모리가 필요합니다. 이는 100기가바이트 용량의 하드 드라이브 3,000개에 해당합니다.
그것은 밝혀졌습니다. 사람은 이전에 생각했던 것처럼 수십만 개가 아니라 3만 개가 넘는 유전자를 가지고 있습니다. 파리에는 초파리가 있는데 그 수가 절반에 불과합니다. 약 13,000이고 쥐의 수는 사람과 거의 같습니다. 해독된 게놈에는 인간 고유의 유전자가 약 1%만 들어 있다. 밝혀진 바와 같이 DNA 나선의 대부분은 유전자가 아니라 유전자가 단순히 암호화되지 않은 소위 "빈 섹션"과 차례로 반복되는 이중 단편, 의미 및 의미에 의해 점유됩니다. 불분명합니다.
한마디로 유전자는 생명의 구성 요소가 아니라 신체 구성에 따른 청사진의 요소일 뿐이라는 것이 밝혀졌습니다. 유전학이 등장하기 전에 일반적으로 믿어졌던 빌딩 블록은 단백질입니다.
인간 고유의 유전자 중 1%가 인간과 쥐를 구별하는 엄청난 양의 정보를 암호화할 수 없다는 것이 절대적으로 명백해졌습니다. 모든 정보는 어디에 저장되어 있나요? 많은 과학자들에게는 신성한 원리 없이는 인간 본성을 설명하는 것이 불가능하다는 사실을 부인할 수 없습니다. 많은 과학자들은 인체에 대한 기존 생각의 틀 내에서 인간 게놈을 해독하는 것이 원칙적으로 불가능하다고 제안합니다.
세상은 알려지지 않았습니다 - 그것은 알 수 있습니다 (기사에 대한 나의 의견).
1) 다음 부분을 고려하십시오. “신의 원리 없이는 인간의 본성을 설명하는 것이 불가능합니다.”
위에 제시된 정보는 어떤 식으로든 이를 나타내지 않습니다.
게놈은 실제로 이전에 생각했던 것보다 더 복잡한 구조를 가지고 있습니다.
그러나 결국 기사에 언급된 컴퓨터는 메모리 셀로만 구성되지 않습니다.
컴퓨터에는 장기 및 운영 메모리와 정보가 처리되는 프로세서라는 두 가지 메모리가 있습니다. 전자기장은 정보 처리에도 관여합니다. 게놈 정보를 해독하기 위해서는 정보의 저장뿐만 아니라 처리 과정까지 정보가 어떻게 발생하는지 이해하는 것이 필요합니다. 또한 일부 정보는 전자기장을 통해 기록되어 저장된다는 생각도 인정합니다. 그리고 이미 쓴 것처럼 Supreme Mind의 특별 정보 센터에는 사람 외부도 있습니다.
모스 부호의 이진 코드 0 또는 1로 인코딩된 연속 텍스트를 상상해 보세요. 그러나 이 텍스트가 어떤 언어(영어 또는 프랑스어...)로 작성되었는지 모르고 이 연속 텍스트가 단어, 문장으로 구성되어 있다는 사실도 알 수 없습니다. , 단락, 장, 권, 선반, 캐비닛 등
생물학에서도 거의 동일합니다. 여기에 있는 모든 것은 4자리 코드로 인코딩되어 있으며 지금까지 기본 유전자 +-/*의 순서를 해독했지만 언어를 모르므로 이에 따라 단어, 문장, 단락, 장, 권, 선반, 캐비닛 등. 우리에게 해독된 게놈은 여전히 4등급 코드의 견고한 텍스트이며 이를 모두 정면으로 연구하는 것은 거의 불가능합니다.
그러나 특정 기간(개인과 그의 세대 집단, 종, 속 모두)에서 일부 유전자와 그 복합체(단어, 문장, 단락, 장, 책, 선반, 캐비닛 등을 담당)가 있는 것으로 나타났습니다. .) 활성 이고 다른 진화 기간에는 수동적입니다. 이는 다양한 다유전적 특성(진화의 일반 주기 법칙 주제에 표시됨)에 의해 간접적으로 결정됩니다.
현재 유전자를 연구하는 방법은 두 가지뿐입니다. 이는 샘플 내 유전자(DNA)의 합계를 실험실에서 간단히 계산하는 방법과 생성된 단백질 RNA의 양을 계산하는 장치가 있습니다. 생산된 전자칩에 달라붙어그러나 언제든지 엄청난 양의 DNA가 활성화되어 RNA를 통해 수많은 다른 단백질이 생성되기 때문에 "이 국수를 숟가락, 포크, 일본 젓가락으로 분리하는 것은 매우 어렵습니다." 이 수프를 사용하여 원하는 것을 찾으세요. 특정 DNA(DNA 복합체)와 그것이 다유전적 특성에 미치는 영향 사이의 인과관계를 찾아보세요.
나는 다유전적 특성의 정도를 결정하는 DNA, RNA 및 그 단백질의 전체 수프를 분류하는 방법에 대한 간단한 방법을 찾은 것 같습니다.
결과적으로 개인의 진화 순서에 따른 각 다유전적 특성(세대, 종 및 속)은 주기적입니다. 따라서 RNA와 DNA의 활동에서 주기적이어야 하므로 (먼저 찾아야 합니다.) 유전적 세부 사항으로 이동) 다유전적 특성(개인, 세대 집단, 종, 속...)의 측정 변화와 이 기간에 비례하는 RNA, DNA의 해당 활동 사이의 상관 관계입니다.
완전히 정의되었습니다. 따라서 선충류 게놈을 해독하는 작업은 매우 성공적인 것으로 간주되어야 합니다.
훨씬 더 큰 성공은 Drosophila 게놈을 해독하는 것과 관련이 있습니다.
크기는 인간 DNA보다 2배 작고, 선충류 DNA보다 20배 크다. 초파리에 대한 높은 수준의 유전적 지식에도 불구하고 현재까지 그 유전자의 약 10%가 알려지지 않았습니다. 하지만 가장 역설적인 점은 선충류에 비해 훨씬 더 고도로 조직화된 초파리가 미세한 회충에 비해 유전자 수가 적다는 것입니다! 현대 생물학의 관점에서 이것은 설명하기 어렵습니다. 십자화과 식물인 애기장대(Arabidopsis)의 해독된 게놈에는 초파리보다 더 많은 유전자가 존재합니다. 이 식물은 유전학자들이 고전적인 실험 대상으로 널리 사용합니다.
게놈 프로젝트의 발전은 과학기술의 여러 분야에서 집중적인 발전을 동반했습니다. 따라서 생물정보학은 그 발전에 강력한 자극을 받았습니다. 엄청난 양의 정보를 저장하고 처리하기 위해 새로운 수학적 장치가 만들어졌습니다. 전례 없는 성능을 갖춘 슈퍼컴퓨터 시스템이 설계되었습니다. 다양한 정보 블록을 비교 분석하고 매일 컴퓨터 데이터베이스에 새로운 데이터를 입력할 수 있는 수천 개의 프로그램이 작성되었습니다.
전 세계의 다양한 실험실에서 얻은 정보를 이전에 축적된 정보에 적용합니다. 동시에, 게놈의 다양한 요소를 효율적으로 분리하고 자동 시퀀싱, 즉 DNA의 뉴클레오티드 서열을 결정하는 시스템이 개발되었습니다. 이를 바탕으로 시퀀싱 속도를 크게 높이고 비용을 낮추는 강력한 로봇이 설계되었습니다.
유전체학의 발전으로 인해 수많은 새로운 사실이 발견되었습니다. 이들 중 다수의 중요성은 여전히 평가되어야 합니다.
미래. 그러나 지금도 이러한 발견이 지구상의 다양한 형태의 생명체의 출현과 진화에 관한 많은 이론적 입장을 재고하게 할 것이라는 점은 분명합니다. 이는 개별 세포의 기능과 상호 작용의 근간을 이루는 분자 메커니즘을 더 잘 이해하는 데 도움이 될 것입니다. 아직 알려지지 않은 많은 생화학적 주기에 대한 상세한 해독;
기본적인 생리적 과정과의 연관성을 분석합니다.
따라서 구조유전체학에서 구조유전체학으로의 전환이 이루어지고 있다.
기능적이며, 이는 차례로 다음에 대한 전제 조건을 생성합니다.
세포와 유기체 전체의 기능에 대한 분자적 기반을 연구합니다.
지금 축적된 정보는 내에서 분석의 대상이 될 것입니다.
앞으로 수십 년. 하지만 다음 단계마다
다양한 종의 게놈 구조를 해독하는 방향은 정보 획득 과정을 촉진하는 새로운 기술을 낳습니다. 그래서,
낮은 조직의 생명체의 유전자 구조와 기능에 대한 데이터를 사용하면 검색 속도가 크게 빨라질 수 있습니다.
유전자 검색을 위해 노동 집약적인 분자 방법을 대체하고 있습니다.
특정 종의 게놈 구조를 해독함으로써 얻을 수 있는 가장 중요한 결과는 해당 종의 모든 유전자를 식별하고,
따라서 전사된 RNA 분자와 모든 단백질의 분자적 특성을 식별하고 결정합니다. 게놈과 유사하게 전사의 결과로 형성된 RNA 분자 풀을 통합하는 전사체와 유전자에 의해 암호화된 많은 단백질을 포함하는 이프로테옴의 개념이 탄생했습니다. 따라서 유전체학은 단백질체학과 같은 새로운 과학의 집중적 발전을 위한 기반을 마련합니다. 전사체학. 단백질체학(Proteomics)은 각 단백질의 구조와 기능을 연구하는 학문입니다. 세포의 단백질 구성 분석; 개별 세포 기능의 분자 기반 결정
수백 가지 단백질의 조화로운 작업의 결과, 그리고
유기체의 표현형 특성 형성에 대한 연구,
수십억 개의 세포가 협력하여 이루어진 결과입니다.
매우 중요한 생물학적 과정도 RNA 수준에서 발생합니다. 이들의 분석은 전사체학(transcriptomics)의 주제입니다.
유전체학 분야에서 일하는 세계 여러 나라 과학자들의 가장 큰 노력은 국제 프로젝트 "인간 게놈"을 해결하는 것을 목표로 했습니다. 이 분야의 상당한 진전은 아이디어 구현과 관련이 있습니다.
J. S. Venter가 제안한 검색 및 분석
이는 나중에 게놈의 특정 영역에 대한 일종의 "태그" 또는 마커로 사용될 수 있는 발현된 DNA 서열입니다. Fr. 신부가 이끄는 그룹의 작업에는 또 다른 독립적이고 덜 유익한 접근 방식이 사용되었습니다.
콜린스. 이는 유전성 인간 질병에 대한 유전자의 일차 식별을 기반으로 합니다.
인간 게놈의 구조를 해독하는 것은 놀라운 발견으로 이어졌습니다. 인간 게놈에는 단백질 수보다 몇 배나 적은 32,000개의 유전자만 포함되어 있는 것으로 밝혀졌습니다. 동시에 단백질을 코딩하는 유전자는 24,000개에 불과하며 나머지 유전자의 산물은 RNA 분자입니다.
다양한 개인, 인종, 인종 간 DNA 염기서열의 유사성 비율은 99.9%입니다.
이 유사성이 우리를 인간으로 만드는 것입니다 – 호모 사피엔스! 뉴클레오티드 수준의 모든 변동성은 매우 작은 수치인 0.1%에 맞습니다.
따라서 유전학에는 국가적 우월성이나 인종적 우월성에 대한 생각이 들어설 여지가 없습니다.
하지만 서로를 살펴 보겠습니다. 우리는 모두 다릅니다. 국가적 차이, 더욱이 인종적 차이는 훨씬 더 눈에 띕니다. 그렇다면 몇 개의 돌연변이가 백분율이 아닌 절대적인 기준으로 인간의 가변성을 결정합니까? 이 추정치를 얻으려면 게놈의 크기가 얼마인지 기억해야 합니다. 인간 DNA 분자의 길이는
3.2x109 염기쌍. 이 중 0.1%는 320만 개의 뉴클레오티드입니다. 그러나 게놈의 코딩 부분은 DNA 분자 전체 길이의 3% 미만을 차지하고 이 영역 외부의 돌연변이는 대부분 표현형 다양성에 영향을 미치지 않는다는 점을 기억하십시오. 따라서 표현형에 영향을 미치는 돌연변이 수의 적분 추정치를 얻으려면 320만 개의 뉴클레오티드 중 3%를 가져와야 하며, 이는 약 10만 개의 돌연변이가 표현형을 형성한다는 수치를 제공합니다. 가변성. 이 수치를 전체 유전자 수와 비교하면 유전자당 평균 3~4개의 돌연변이가 있는 것으로 나타났습니다.
이 돌연변이는 무엇입니까? 대다수(적어도 70%)
우리를 구별하는 개인의 비병리학적 다양성을 결정하지만 서로에 대해 우리를 더 나쁘게 만들지는 않습니다. 여기에는 눈 색깔, 머리카락, 피부, 체형, 키, 몸무게,
이는 주로 유전적으로 결정되는 행동 유형이며 그 이상입니다. 돌연변이의 약 5%는 단일유전자 질환과 연관되어 있습니다. 나머지 돌연변이의 약 4분의 1은 기능적 다형성 클래스에 속합니다. 그들은 광범위한 다인성 병리학에 대한 유전적 소인 형성에 관여합니다. 물론 이러한 추정치는 매우 대략적이지만,
그러나 인간의 유전적 다양성의 구조를 판단하는 것은 가능해졌습니다.
1.16장. 진화의 분자 유전적 기초
새천년의 전환기에 일어난 분자생물학 분야의 혁명은 수백 종의 미생물과 일부 원생동물의 게놈 구조를 해독하는 데 정점을 이루었습니다.
효모, 식물, 동물 및 인간은 고전 유전학의 많은 전통적인 아이디어를 뒤집어 놓았고 진화와 종분화의 분자 메커니즘을 연구할 수 있는 가능성을 매우 가까이 가져왔습니다. 새로운 과학이 탄생했습니다 - 비교유전체학,
개별 분자 수준에서 발생하는 진화적으로 중요한 사건의 다양한 계통발생 계통의 출현을 등록하는 것이 가능해졌습니다. 일반적인 경우 진화의 진보는 유전자의 구조적 조직의 수, 범위 및 복잡성의 증가뿐만 아니라 규제의 변화와 훨씬 더 많이 관련되어 있음이 밝혀졌습니다. 수만 개의 유전자 발현의 조정 및 조직 특이성을 결정하는 작업입니다. 이는 궁극적으로 근본적으로 새로운 작업을 수행할 수 있는 상호 작용하는 단백질의 더 복잡하고 매우 특이적인 다기능 복합체가 고등 유기체에 출현하게 되었습니다.
DNA-RNA-단백질 또는 게놈-전사체-프로테옴의 세 가지 정보 수준에서 진화 과정에서 발생하는 변화의 성격을 고려해 보겠습니다. 일반적으로 생명 조직의 복잡성이 증가할수록 게놈의 크기도 증가한다고 말할 수 있습니다. 따라서 원핵생물의 DNA 크기는 8x106 bp를 초과하지 않고, 효모와 원생동물에서는 2배, 곤충에서는 10-15배 더 커지고, 포유류에서는 그 증가가 3배, 즉 천 배에 이릅니다. ).
그러나 이러한 의존성은 선형적이지 않습니다. 따라서 포유류 내에서 우리는 더 이상 게놈 크기의 상당한 증가를 관찰하지 않습니다. 또한 게놈의 크기와 생명 조직의 복잡성 사이의 관계를 관찰하는 것이 항상 가능한 것은 아닙니다. 따라서 일부 식물의 게놈 크기는 인간의 것보다 한 자릿수 또는 심지어 두 자릿수 더 큽니다. 원핵생물에 비해 진핵생물의 게놈 크기가 증가하는 것은 주로 비암호화 서열, 즉 선택적 요소의 출현으로 인해 발생한다는 점을 상기해보자. 우리는 이미 인간 게놈의 엑손 총합이 1-3%를 넘지 않는다고 말했습니다. 이는 고등 유기체의 유전자 수가 미생물의 유전자 수보다 몇 배 더 많을 수 있음을 의미합니다.
진핵생물 조직의 복잡성 증가는 부분적으로 필요한 추가적인 규제 시스템의 출현으로 설명됩니다.
유전자 발현의 조직 특이성을 보장합니다. 진핵생물에서 나타난 유전자의 불연속적인 조직의 결과 중 하나는 대체 스플라이싱과 대체 전사가 널리 발생했다는 것입니다. 이로 인해 엄청난 수의 유전자에 새로운 특성, 즉 기능적으로 다른 여러 단백질 이소형을 암호화하는 능력이 출현하게 되었습니다. 따라서 총 단백질의 양은
즉, 프로테옴의 크기가 높을수록 유전자 수가 몇 배나 많을 수 있습니다.
원핵생물에서는 유전자 수의 종내 가변성이 허용됩니다.
많은 미생물의 서로 다른 계통 사이에는 유사한 차이점이 있습니다.
병원성 물질을 포함하면 수십 퍼센트에 달할 수 있습니다. 더욱이, 다양한 유형의 미생물 조직의 복잡성은 코딩 서열의 수 및 길이와 직접적인 상관관계가 있습니다.
따라서 표현형 내부 및 종간 가변성은 매우 유사한 전사체 및 프로테옴 크기와 밀접한 관련이 있습니다. 진핵생물에서 유전자의 수는 종의 특성에 따라 엄격하게 결정되며, 진화적 복잡성의 증가는 또 다른 원리, 즉 제한적이고 상당히 안정적인 프로테옴의 다양한 구성 요소를 차등적 다단계로 사용하는 원리에 기초합니다.
선충류와 초파리의 게놈 서열을 분석한 결과, 매우 다른 종의 프로테옴 크기가 매우 유사하고 효모 및 일부 유형의 박테리아에 비해 두 배만 큰 것으로 나타났습니다. 이러한 패턴(프로테옴의 크기를 유지하거나 비교적 작은 증가를 유지하면서 다양한 생명체 조직의 복잡성이 크게 증가하는 것)은 인간까지 이어지는 모든 진화의 특징입니다. 그래서,
인간과 생쥐의 프로테옴은 실제로 서로 다르지 않으며 미세한 선충 회충이나 초파리 초파리의 프로테옴보다 크기가 2배 미만 더 큽니다. 또한, 인간 DNA의 뉴클레오티드 서열의 동일성과
대형 유인원은 98.5%이고 코딩 영역에서는 99%에 이릅니다. 이 수치는 99.9% 값과 거의 다르지 않습니다.
우리 행성에 거주하는 다양한 개인, 민족 및 인종 간의 DNA 뉴클레오티드 서열의 종내 유사성을 결정합니다. 그렇다면 전체 게놈의 1.5% 미만을 구성하는 어떤 변화가 사람 형성의 핵심일까요? 이 질문에 대한 답은 분명히 게놈 수준과 단백질 수준에서만 찾아야 하는 것이 아닙니다.
실제로 프로테옴의 상대적인 안정성과 함께
진화 과정에서 엄청난 수의 전사 및 비암호화 DNA의 게놈 출현과 전사체의 상당한 확장으로 인해 진핵생물 전사체 조직의 크기와 복잡성이 급격히 증가합니다. RNA 코딩 유전자의 종류. 인트론이 주원인 단백질을 코딩하지 않는 RNA,
고등 유기체의 전사체의 대부분을 구성하며,
모든 전사 단위의 97-98%에 도달합니다. 이들 분자의 기능은 현재 집중적으로 분석되고 있습니다.
따라서 중요한 진화적 변화는 게놈 크기의 증가, 상당히 안정적인 프로테옴, 전사체 크기의 급격한 증가를 배경으로 발생합니다. 31.
그림 31. 세 가지에서 일어나는 진화적 변화
정보 수준 동시에 단순한 형태의 생명체에서 더 복잡한 형태의 생명체로의 전환은 명백합니다.
이는 비코딩 DNA와 반복적 요소라는 두 가지 기본적이고 어느 정도 상호 연관된 진화적 획득의 출현 및 게놈의 광범위한 분포와 관련이 있습니다. 게놈 수준에서 발생하는 이러한 변화의 직접적인 결과는 수많은 비단백질 코딩 RNA의 진화 과정에서 나타나는 것입니다.
이러한 진화적 변화의 구조적 기초는 무엇입니까?
원핵생물에서 진핵생물로, 원생동물에서 후생동물로, 최초의 동물에서 양측성 동물로, 원시 화음동물에서 척추동물로의 모든 주요 진화적 전환에는 게놈 복잡성의 급격한 증가가 동반되었습니다. 분명히 진화의 그러한 도약은 서로 상당한 거리를 두고 있는 체계적 분류에 속하는 여러 종의 전체 게놈이 성공적으로 융합된 드문 사례의 결과입니다. 따라서 고세균과 박테리아의 공생은 원핵생물에서 진핵생물로의 전환의 시작을 알렸습니다. 미토콘드리아, 엽록체 및 기타 세포 소기관도 내부 공생의 결과로 나타나는 것은 분명합니다. 고등 진핵생물의 기본 특성인 이배체는 약 5억년 전에 발생한 잘 조절된 게놈 복제의 결과로 발생했습니다.
한 종 내에서 게놈 복제가 매우 빈번하게 발생했으며,
이에 대한 예는 식물의 수많은 배수성 사례입니다.
버섯, 때로는 동물에서도 마찬가지입니다. 그러나 잠재적 메커니즘
진화 과정에서 근본적으로 새로운 형태의 생명체의 출현으로 이어지는 것은 자가다배체가 아니라 게놈의 혼성화와 수평 이동 또는 융합입니다. 전체 게놈의 융합을 수반하는 가장 중요한 진화적 변화는 대기 중 산소 농도의 변화, 지구의 빙하화 또는 캄브리아기와 같은 주요 지질학적 전환 기간 동안 특별한 조건에서 발생한다는 점은 주목할 만합니다. 폭발.
상대적으로 평온한 지질학적 조건에서는 개별 유전자나 염색체 부분의 중복과 그에 따른 분기가 진화에 더 중요한 것으로 밝혀졌습니다. 염기서열이 분석된 게놈의 뉴클레오티드 서열을 비교하면 유전자 복제 빈도가 매우 높으며 평균적으로 백만년당 유전자당 0.01이라는 것을 알 수 있습니다. 이들 중 대다수는 향후 수백만 년 동안 나타나지 않으며, 극히 드문 경우입니다.
경우에 따라 복제된 유전자는 새로운 적응 기능을 획득할 수 있습니다. 그러나 대규모의 "침묵" 유전자 복제는 새로운 유전자의 탄생과 새로운 종의 형성을 위한 일종의 예비 자금 역할을 합니다. 인간 게놈에는 mRNA의 역위치를 통해 생성된 처리된 유전자의 복사본이 10,000~20,000개 포함되어 있습니다.
그들 중 대부분은 유사 유전자 부류에 속합니다. 즉, 돌연변이의 존재 또는 게놈의 전사 비활성 영역에의 삽입으로 인해 발현되지 않습니다. 그러나 이들 유전자 중 일부는 활성을 갖고 있으며, 그 발현의 성격이나 심지어 기능도 다를 수 있습니다.
창시자 유전자보다.
그들은 영장류와 인간의 진화에서 특별한 역할을 합니다. 분절 중복, LCR (Low Copy Repeat) 클래스에 속하며
약 3,500만 년 전에 발생했습니다. 이들 서열은 매우 동일한 DNA 블록으로, 크기는 1킬로베이스에서 수백 킬로베이스까지 다양합니다. 대부분 분절 중복은 다양한 염색체의 중심 주위 또는 텔로미어 영역에 국한되어 있으며 전체적으로 인간 게놈의 약 5%를 차지합니다.
다른 서열화된 게놈에서는 분절 중복이 발견되지 않았습니다.
듀플리콘(duplicon)이라고 불리는 분절 복제의 최소 모듈에는 관련되지 않은 처리되지 않은 유전자 조각이 포함되어 있습니다.
이는 다른 알려진 유형의 반복 시퀀스와 구별됩니다. 특정 조건 하에서, 듀플리콘은 그 안에 존재하는 코딩 엑손의 다양한 조합으로부터 새로운 키메라 전사 유전자 또는 유전자군을 생성하기 위한 소스 역할을 할 수 있습니다. 150~350개의 유전자가 침팬지와 인간 게놈을 구별할 수 있는 것으로 추정됩니다.
종분화를 위한 새로운 코딩 서열의 출현과 오래된 코딩 서열의 소멸의 중요성을 감소시키지 않으면서, 우리는 다른 메커니즘의 존재 가능성을 강조해야 합니다.
진핵생물의 진화에 결정적인 역할을 한다.
진화의 추진 메커니즘 중 하나는 이와 관련하여 연구된 모든 종에서 발견되는 이동 요소입니다.
종분화 과정에 수반되는 게놈 변화에는 광범위한 핵형 재구성, 국소 염색체 재배열, 유전자 계열의 복제, 개별 유전자의 변형,
전사 수준과 스플라이싱 또는 번역 수준 모두에서 조절되는 유전자 발현의 차이뿐만 아니라 출생 또는 손실이 동반됩니다. 모바일 요소는 이러한 모든 프로세스와 직접적인 관련이 있습니다.
어떤 경우에는 전이 요소 자체가 DNA 전치 또는 RNA 역전위에 필요한 효소를 암호화하는 서열을 가지고 있습니다.
레트로바이러스, LTR-의 게놈에도 유사한 서열이 존재합니다.
요소와 트랜스포존. 레트로트랜스포존에는 가장 많은 종류의 전치 요소(Alu 반복)도 포함됩니다. 처음으로 알루-
반복은 작은 RNA 코딩 유전자로부터 약 5천만~6천만년 전에 영장류에 나타났습니다. 추가적인 진화 과정에서 이 계열의 분기와 강력한 증폭이 발생합니다. 영장류에서 인간으로의 전환은 그 수의 폭발적인 증가를 동반합니다.
Alu는 일부 추정에 따르면 사본 수가 다음과 같이 반복됩니다.
110만. Alu 반복은 인간 게놈의 약 10%를 차지하지만 대부분 유전자와 연관되어 있기 때문에 분포가 고르지 않습니다. 이러한 요소는 코딩 엑손에는 거의 존재하지 않으며 mRNA의 인트론 및 비 코딩 영역에서 자주 발견되어 이러한 분자의 안정성 및/또는 번역 효율성에 영향을 미칩니다. 유전자의 인트론 영역에 Alu 서열이 존재하면 preRNA 처리 특성의 변화가 수반될 수 있습니다. 왜냐하면 이러한 서열에는 기증자 및 수용자 스플라이스 부위와 상동적인 영역이 포함되어 있기 때문입니다. Alu 요소가 유전자의 조절 영역에 삽입되면 전사가 중단되어 다음과 같은 결과가 발생할 수 있습니다.
점프하는 유전자
지난 세기 중반, 미국 연구자인 바바라 맥클린톡(Barbara McClintock)은 옥수수에서 독립적으로 염색체 위치를 바꿀 수 있는 놀라운 유전자를 발견했습니다. 이제 그들은 "점핑 유전자" 또는 이식 가능한(이동) 요소라고 불립니다. 이 발견은 이동성 요소가 옥수수 특유의 독특한 현상이라는 점을 고려하여 오랫동안 인식되지 않았습니다. 그러나 McClintock이 1983년에 노벨상을 받은 것은 이 발견으로 인해 이루어졌습니다. 오늘날 점핑 유전자는 연구된 거의 모든 동식물 종에서 발견되었습니다.
점핑 유전자는 어디에서 왔으며 세포에서 어떤 역할을 하며 유용합니까? 유전적으로 건강한 부모와 함께 Drosophila 초파리 가족이 유전자 도약으로 인해 높은 빈도로 돌연변이 자손을 생산하거나 심지어 아이가 없을 수도 있는 이유는 무엇입니까? 진화에서 점프 유전자의 역할은 무엇입니까?
세포의 기능을 보장하는 유전자는 특정 순서로 염색체에 위치한다고 말해야합니다. 덕분에 많은 종의 단세포 생물과 다세포 생물에 대한 소위 유전자 지도를 구축할 수 있었습니다. 그러나 유전자 내부보다 유전자 사이에 훨씬 더 많은 유전 물질이 존재합니다! DNA의 이 "밸러스트" 부분이 어떤 역할을 하는지는 완전히 확립되지 않았지만, 스스로 움직일 뿐만 아니라 인접한 DNA 단편도 함께 가져갈 수 있는 이동 요소가 가장 자주 발견되는 곳이 바로 여기입니다.
점핑 유전자는 어디서 오는가? 일부 이동 요소는 바이러스 입자를 형성할 수 있으므로(예: 초파리의 이동 요소 집시) 그 중 적어도 일부는 바이러스에서 유래한 것으로 가정됩니다. 초파리 melanogaster). 일부 이동 요소는 소위를 통해 게놈에 나타납니다. 수평 이동다른 종에서. 예를 들어, 모바일이라는 것이 확인되었습니다. 뜨내기 노동자-요소(러시아어로 번역하면 부랑자라고 함) 초파리 melanogaster이 종의 게놈에 반복적으로 재도입되었습니다. DNA의 일부 규제 부분에도 자율성과 "방랑" 경향이 있을 수 있다는 버전이 있습니다.
유용한 안정기
반면에 점핑 유전자의 대부분은 이름에도 불구하고 전체 유전 물질의 5분의 1을 차지함에도 불구하고 조용하게 행동합니다. 초파리 melanogaster또는 인간 게놈의 거의 절반.
위에서 언급한 DNA 중복에는 장점이 있습니다. 즉, 외래 DNA가 게놈에 도입되면 안정기 DNA(수동 이동 요소 포함)가 타격을 입습니다. 중요한 DNA보다 안정기 DNA가 훨씬 많으면 새로운 요소가 유용한 유전자에 통합되어 그 작동을 방해할 가능성이 줄어듭니다.
DNA의 일부 중복성은 문자의 "중복성"과 같은 방식으로 유용합니다. 우리는 "Maria Ivanovna"라고 쓰고 "Marivan"이라고 말합니다. 일부 문자는 필연적으로 손실되지만 의미는 남아 있습니다. 동일한 원리가 단백질-효소 분자의 개별 아미노산의 중요성 수준에서도 적용됩니다. 활성 중심을 형성하는 아미노산의 순서만 엄격하게 보존됩니다. 따라서 다양한 수준에서 중복성은 시스템 강도를 확보하는 일종의 버퍼로 밝혀졌습니다. 이것이 이동성을 잃은 이동 요소가 게놈에 쓸모가 없는 것으로 판명되는 방법입니다. 그들이 말했듯이 "얇은 양에서 적어도 양털 다발"이라고 말하지만 아마도 여기에는 "줄의 모든 인피"라는 또 다른 속담이 더 적합 할 것입니다.
점프할 수 있는 능력을 보유한 이동 요소는 요소 유형, 유전적 배경 및 외부 조건에 따라 세대당 유전자당 10–2–10–5의 빈도로 초파리 염색체를 따라 이동합니다. 이는 세포에 있는 100개의 점프 유전자 중 하나가 다음 세포 분열 후에 위치를 변경할 수 있음을 의미합니다. 결과적으로 여러 세대가 지나면 염색체를 따라 이동하는 요소의 분포가 매우 크게 바뀔 수 있습니다.
초파리 유충 타액선의 폴리텐(다중 가닥) 염색체에 대한 이러한 분포를 연구하는 것이 편리합니다. 이 염색체는 평소보다 몇 배 더 두껍기 때문에 현미경으로 검사하는 것이 크게 단순화됩니다. 그러한 염색체는 어떻게 얻습니까? 타액선 세포에서는 정상적인 세포 분열과 마찬가지로 각 염색체의 DNA가 증식되지만 세포 자체는 분열되지 않습니다. 결과적으로 샘의 세포 수는 변하지 않지만 10-11주기에 걸쳐 수천 개의 동일한 DNA 가닥이 각 염색체에 축적됩니다.
초파리의 점프 유전자가 다른 다세포 유기체보다 더 잘 연구되는 것은 부분적으로 폴리텐 염색체 때문입니다. 이러한 연구 결과, 동일한 초파리 개체군 내에서도 전이 요소의 분포가 동일한 염색체를 가진 두 개체를 찾는 것이 어렵다는 것이 밝혀졌습니다. 초파리의 자발적인 돌연변이의 대부분이 이러한 "점퍼"의 움직임에 의해 발생한다고 믿어지는 것은 우연이 아닙니다.
결과는 달라질 수 있습니다..
게놈에 미치는 영향에 따라 활성 이동 요소는 여러 그룹으로 나눌 수 있습니다. 그들 중 일부는 게놈에 매우 중요하고 유용한 기능을 수행합니다. 예를 들어, 텔로미어의초파리의 염색체 말단에 위치한 DNA는 특별한 이동 요소로 구성됩니다. 이 DNA는 매우 중요합니다. DNA의 손실은 세포 분열 중에 전체 염색체의 손실을 수반하여 세포 사멸을 초래합니다.
다른 모바일 요소는 명백한 "해충"입니다. 적어도 그것이 현재로서는 그렇게 간주됩니다. 예를 들어, R2 클래스의 이동 요소는 단백질 합성을 위한 세포 "공장"인 리보솜 단백질 중 하나를 코딩하는 절지동물 유전자에 특이적으로 통합될 수 있습니다. 그러한 장애를 가진 개인은 이러한 단백질을 암호화하는 많은 유전자 중 일부만이 게놈에서 손상되기 때문에 생존할 수 있습니다.
생식 세포를 생산하는 생식 조직에서만 움직이는 이동 요소도 있습니다. 이는 서로 다른 조직에서 동일한 이동 요소가 길이와 기능이 다른 운동에 필요한 효소 단백질 분자를 생성할 수 있다는 사실로 설명됩니다.
후자의 예는 P 요소입니다. 초파리 melanogaster, 이는 불과 100년 전에 다른 초파리 종의 수평 이동을 통해 자연 개체군에 유입되었습니다. 그러나 지금 지구상에는 인구가 거의 없다. 초파리 melanogaster, 여기서 P 요소는 발견되지 않습니다. 대부분의 사본에 결함이 있으며 거의 모든 곳에서 동일한 버전의 결함이 발견되었습니다. 게놈에서 후자의 역할은 독특합니다. 동료에 대해 "불관용"하고 억압자 역할을 하여 그들의 움직임을 차단합니다. 따라서 "낯선 사람"의 점프로부터 초파리 게놈을 보호하는 것은 부분적으로 자체 파생물에 의해 수행될 수 있습니다.
가장 중요한 것은 올바른 부모를 선택하는 것입니다!
이동 요소의 점프 대부분은 밸러스트 DNA에서 발생하기 때문에 Drosophila의 모양에 영향을 미치지 않지만 활동이 급격히 증가하는 다른 상황이 있습니다.
놀랍게도 점핑 유전자의 이동을 유도하는 가장 강력한 요인은 잘못된 부모 선택입니다. 예를 들어, 실험실 모집단에서 암컷을 교배하면 어떻게 되나요? 초파리 melanogaster, P 요소가 없고(그들의 조상이 약 100년 전에 자연에서 포획되었기 때문에) 수컷이 P 요소를 갖고 있습니까? 잡종에서는 이동 요소의 빠른 움직임으로 인해 다양한 유전 질환이 나타날 수 있습니다. 잡종 이형성이라고 불리는 이 현상은 모계 세포질에 전이 요소의 이동을 방해하는 억제인자가 없다는 사실에 의해 발생합니다.
따라서 인구 A의 신랑과 인구 B의 신부가 대가족을 이룰 수 있다면 그 반대가 항상 사실인 것은 아닙니다. 유전적으로 건강한 부모의 가족은 많은 수의 돌연변이 또는 불임 자손을 생산할 수 있으며, 아버지와 어머니의 게놈에 다른 이동 요소 세트가 있는 경우 자녀가 없을 수도 있습니다. 특히 실험이 29°C의 온도에서 수행되면 많은 위반이 나타납니다. 유전적 배경에 중첩된 외부 요인의 영향은 게놈 불일치 효과를 향상시키지만 이러한 요인 자체(전리 방사선 포함)만으로는 가능하지 않습니다. 모바일 요소의 엄청난 움직임을 유발하는 것입니다.
유사한 이벤트 초파리 melanogaster다른 모바일 요소 제품군의 참여로 발생할 수 있습니다.
"모바일" 진화
세포 게놈은 이웃이 공존할 뿐만 아니라 서로 상호 작용하는 일종의 영구 구성원과 임시 구성원의 생태계라고 볼 수 있습니다. 숙주 유전자와 이동 요소의 상호 작용은 아직 잘 알려져 있지 않지만 중요한 유전자가 손상된 경우 유기체의 사망부터 이전에 손상된 기능의 복원에 이르기까지 많은 결과가 제공될 수 있습니다.
점프 유전자 자체가 서로 상호 작용하는 경우가 있습니다. 따라서 이동 요소가 이미 존재하는 요소에 근접하게 침투할 수 없는 경우 면역과 유사한 현상이 알려져 있습니다. 그러나 모든 모바일 요소가 그렇게 섬세한 것은 아닙니다. 예를 들어 P 요소는 쉽게 서로 침투하여 동료 플레이어를 게임에서 몰아낼 수 있습니다.
또한 게놈의 이동 요소 수에는 일종의 자체 조절이 있습니다. 사실 모바일 요소는 서로 상동 영역을 교환할 수 있습니다. 이 프로세스를 재조합. 이러한 상호 작용의 결과로 모바일 요소는 방향에 따라 ( 삭제) 또는 확장( 반전) 그들 사이에 위치한 숙주 DNA 조각. 염색체의 중요한 부분이 손실되면 게놈이 죽습니다. 역전이나 작은 결실의 경우 염색체 다양성이 생성되며 이는 진화의 필수 조건으로 간주됩니다.
서로 다른 염색체에 위치한 이동 요소 사이에서 재조합이 발생하면 결과적으로 염색체 재배열이 형성되고, 이는 후속 세포 분열 중에 게놈 불균형을 초래할 수 있습니다. 그리고 불균형한 예산과 마찬가지로 불균형한 게놈은 매우 잘 나누어져 있지 않습니다. 따라서 실패한 게놈의 죽음은 활성 이동 요소가 염색체를 무한정 채우지 못하는 이유 중 하나입니다.
자연스러운 질문이 생깁니다. 모바일 요소가 진화에 얼마나 중요한 역할을 합니까? 첫째, 대략적으로 말하면 대부분의 이동 요소는 필요할 때마다 도입되며, 그 결과 도입되는 유전자의 구조나 조절을 손상시키거나 변경할 수 있습니다. 그런 다음 자연 선택은 실패한 옵션을 거부하고 적응 속성이 있는 성공적인 옵션을 수정합니다.
이동 요소 도입의 결과가 중립적인 것으로 판명되면 이 변종은 개체군에 남아 유전자 구조에 어느 정도 다양성을 제공할 수 있습니다. 이는 불리한 조건에서 유용할 수 있습니다. 이론적으로 이동 요소의 대규모 이동으로 인해 많은 유전자에 동시에 돌연변이가 나타날 수 있으며 이는 생활 조건이 급격하게 변화하는 경우 매우 유용할 수 있습니다.
요약하자면, 게놈에는 이동 가능한 요소가 많이 있으며 서로 다릅니다. 그들은 서로 그리고 숙주 유전자와 상호작용할 수 있습니다. 해를 끼칠 수 있고 대체할 수 없습니다. 이동성 요소의 이동으로 인한 게놈의 불안정성은 개인에게는 비극으로 끝날 수 있지만, 빠르게 변화하는 능력은 개체군이나 종의 생존을 위해 필요한 조건입니다. 덕분에 자연 선택과 그에 따른 진화적 변화의 기초가 되는 다양성이 생성됩니다.
점핑 유전자와 이민자 사이에 비유할 수 있습니다. 일부 이민자나 그 후손은 동등한 시민이 되고, 다른 이민자는 거주 허가를 받고, 법을 준수하지 않는 사람들은 추방되거나 투옥됩니다. 그리고 사람들의 대량 이주로 인해 국가 자체가 빠르게 바뀔 수 있습니다.
문학
Ratner V. A., Vasilyeva L. A. 스트레스 영향에 의한 이동 유전 요소의 전치 유도. 러시아어 바인딩. 2000.
Gvozdev V. A. 진핵생물의 이동 DNA // Soros 교육 저널. 1998. 8호.
출판사 "BINOM. Knowledge Laboratory는 유전학자 Craig Venter의 회고록 Life Deciphered를 출간합니다. 크레이그 벤터(Craig Venter)는 인간 게놈을 읽고 해독하는 연구로 유명합니다. 1992년에 그는 게놈연구소(TIGR)를 설립했다. 2010년에 Venter는 세계 최초의 인공 유기체인 합성 박테리아인 Mycoplasma Laboratorium을 만들었습니다. 크레이그 벤터(Craig Venter)가 1999~2000년 초파리 게놈 서열 분석 작업에 관해 이야기하는 책의 한 장을 읽어보시기 바랍니다.
앞으로 및 앞으로만
유전의 근본적인 측면은 놀랍게도 매우 단순하다는 것이 밝혀졌습니다. 따라서 아마도 자연은 그렇게 알 수 없으며 다양한 사람들이 반복적으로 선언하는 그 이해할 수 없음은 또 다른 환상, 우리 무지의 열매일 것이라는 희망이 있었습니다. . 이것은 우리를 낙관적으로 만듭니다. 왜냐하면 세상이 일부 친구들이 주장하는 것처럼 복잡하다면 생물학은 정확한 과학이 될 가능성이 없기 때문입니다.
토마스 헌트 모건. 유전의 물리적 기초
많은 사람들이 나에게 지구상의 모든 생물 중에서 왜 초파리를 선택했는지 묻습니다. 다른 사람들은 내가 왜 즉시 인간 게놈 해독에 착수하지 않았는지 궁금해했습니다. 요점은 우리가 향후 실험을 위한 기반이 필요하다는 것입니다. 우리는 인간 게놈 서열 분석에 거의 1억 달러를 지출하기 전에 우리 방법의 정확성을 확인하고 싶었습니다.
작은 초파리는 생물학, 특히 유전학의 발전에 큰 역할을 했습니다. 초파리 속에는 식초, 포도주, 사과, 포도, 과일 등 다양한 파리가 포함되어 있으며 총 약 2600종이 있습니다. 그러나 "drosophila"라는 단어를 말하면 모든 과학자는 즉시 특정 종인 Drosophilamelanogaster를 생각할 것입니다. 이 작은 파리는 빠르고 쉽게 번식하기 때문에 진화생물학자들의 모형 유기체 역할을 합니다. 그들은 수정의 순간부터 성인 유기체의 출현까지 창조의 기적을 밝히기 위해 그것을 사용합니다. 초파리 덕분에 모든 생명체의 일반적인 구조를 조절하는 호메오박스 함유 유전자의 발견을 포함하여 많은 발견이 이루어졌습니다.
유전학을 전공하는 학생이라면 누구나 미국 유전학의 아버지인 토머스 헌트 모건(Thomas Hunt Morgan)이 수행한 초파리 실험을 잘 알고 있을 것입니다. 1910년에 그는 일반적인 붉은 눈의 파리 중에서 흰 눈을 가진 수컷 돌연변이를 발견했습니다. 그는 흰 눈의 수컷과 빨간 눈의 암컷을 교배하여 그들의 자손이 빨간 눈임을 발견했습니다. 흰 눈은 열성 특성으로 밝혀졌으며 이제 우리는 파리가 흰 눈을 가지려면 두 개의 사본이 필요하다는 것을 알고 있습니다. 흰 눈 유전자는 각 부모에게서 하나씩 나옵니다. 계속해서 돌연변이를 교배하면서 Morgan은 수컷만이 흰 눈의 특성을 보인다는 사실을 발견하고 이 특성이 성염색체(Y 염색체)와 관련이 있다는 결론을 내렸습니다. Morgan과 그의 학생들은 수천 마리의 초파리의 유전적 특성을 연구했습니다. 오늘날 초파리에 대한 실험은 전 세계 분자생물학 실험실에서 수행되고 있으며, 그곳에서 5,000명 이상의 사람들이 이 작은 곤충을 연구하고 있습니다.
나는 cDNA 유전자 라이브러리를 사용하여 아드레날린 수용체를 연구하고 초파리에서 이에 상응하는 옥토파민 수용체를 발견했을 때 Drosophila의 중요성을 직접 배웠습니다. 이 발견은 파리와 인간 신경계의 진화적 유전이 공통성을 띠고 있음을 나타냅니다. 인간 뇌의 cDNA 라이브러리를 이해하려고 노력하면서 인간 유전자와 초파리 유전자를 컴퓨터로 비교하여 유사한 기능을 가진 유전자를 찾았습니다.
초파리 유전자 서열 분석 프로젝트는 캘리포니아 버클리 대학의 Jerry Rubin과 카네기 연구소의 Allen Spradling이 이 작업을 맡을 때라고 결정한 1991년에 시작되었습니다. 1998년 5월까지 이미 시퀀싱의 25%가 완료되었고 나는 루빈이 "포기하기에는 너무 좋다"고 말한 제안을 했습니다. 내 생각은 매우 위험했습니다. 여러 나라의 수천 명의 초파리 연구자들이 우리가 얻은 코드의 모든 문자를 면밀히 조사하고 이를 Jerry의 고품질 참조 데이터와 비교한 다음 내 방법의 적합성에 대한 결론을 내려야 했습니다. .
원래 계획은 1999년 4월까지 6개월 이내에 파리 게놈 서열 분석을 완료한 다음 인간 게놈에 대한 공격을 시작하는 것이었습니다. 내 생각에는 이것이 우리의 새로운 방법이 효과가 있다는 것을 보여주는 가장 효과적이고 명확한 방법인 것 같았습니다. 그리고 만약 성공하지 못한다면 인간 게놈을 연구하는 것보다 초파리의 예를 사용하여 이를 빨리 검증하는 것이 더 낫다고 생각했습니다. 그러나 사실 완전한 실패는 생물학 역사상 가장 극적인 실패일 것이다. Jerry도 자신의 명성을 걸고 있었기 때문에 Celera의 모든 직원은 그를 지원하기로 결정했습니다. 나는 Mark Adams에게 프로젝트의 우리 부분을 이끌어달라고 요청했고 Jerry도 Berkeley에 최고 수준의 팀을 갖고 있었기 때문에 우리의 협력은 순조롭게 진행되었습니다.
우선, 우리가 염기서열을 분석해야 하는 DNA의 순도에 대한 의문이 생겼습니다. 사람과 마찬가지로 파리도 유전적으로 다양합니다. 한 집단에 2% 이상의 유전적 변이가 있고 선택된 그룹에 50명의 서로 다른 개인이 있다면 해독은 매우 어려운 것으로 드러납니다. Jerry의 첫 번째 단계는 초파리를 최대한 많이 근친교배하여 균일한 DNA 변이체를 제공하는 것이었습니다. 그러나 근친교배만으로는 유전적 순도를 보장할 수 없었습니다. 파리 DNA를 추출할 때 파리의 먹이나 내장에 있는 박테리아 세포의 유전 물질로 오염될 위험이 있었습니다. 이러한 문제를 피하기 위해 Jerry는 파리 배아에서 DNA를 추출하는 것을 선호했습니다. 그러나 배아 세포에서도 세포의 "발전소"인 미토콘드리아의 핵 외 DNA로 오염되지 않도록 먼저 필요한 DNA로 핵을 분리해야했습니다. 그 결과, 우리는 순수한 초파리 DNA의 탁한 용액이 담긴 시험관을 받았습니다.
1998년 여름, 그러한 순수한 파리 DNA를 가지고 있는 Ham의 팀은 그 단편의 라이브러리를 만들기 시작했습니다. Ham 자신은 DNA를 자르고 결과 조각을 겹쳐서 외부 소리가 작업에 방해가 되지 않도록 보청기의 감도를 낮추는 것을 가장 좋아했습니다. 라이브러리의 생성은 대규모 시퀀싱의 시작으로 여겨졌지만 지금까지는 드릴, 망치, 톱 소리 만 모든 곳에서 들렸습니다. 전체 건축업자 군대는 끊임없이 근처에서 눈에 띄지 않았으며 우리는 가장 중요한 문제를 계속 해결했습니다. 시퀀서, 로봇 및 기타 장비의 작동 문제를 해결하고 몇 년이 아니라 몇 달 만에 실제 시퀀싱 "공장을 만들려고 노력했습니다. " 기스로부터.
첫 번째 모델 3700 DNA 시퀀서는 1998년 12월 8일 Celera에 전달되어 큰 기쁨과 함께 안도의 한숨을 내쉬었습니다. 장치는 나무 상자에서 꺼내어 지하실의 창문 없는 방(임시 거주지)에 놓고 즉시 테스트를 시작했습니다. 작업이 시작되자 매우 높은 품질의 결과를 얻었습니다. 그러나 이러한 초기 시퀀서는 매우 불안정했고 일부는 처음부터 결함이 있었습니다. 일하는 사람들에게도 끊임없는 문제가 있었고 때로는 거의 매일 발생했습니다. 예를 들어, 로봇 매니퓰레이터 제어 프로그램에 심각한 오류가 나타났습니다. 때로는 로봇의 기계 팔이 장치 위로 고속으로 확장되어 벽에 충돌하는 경우도 있었습니다. 그 결과 시퀀서가 중단되었고 수리팀을 불러 수리해야 했습니다. 일부 시퀀서는 흩어진 레이저 빔으로 인해 실패했습니다. 과열을 방지하기 위해 호일과 테이프를 사용했는데, 그 이유는 고온에서 노란색의 G 조각이 시퀀스에서 증발했기 때문입니다.
현재는 정기적으로 장비를 공급하고 있지만 초기부터 불량률이 90% 정도였다. 어떤 날에는 시퀀서가 전혀 작동하지 않았습니다. 나는 Mike Hunkapiller를 굳게 믿었지만 그가 우리의 실패를 직원, 건설 먼지, 약간의 온도 변화, 달의 위상 등의 탓으로 돌리기 시작했을 때 내 믿음은 크게 흔들렸습니다. 우리 중 일부는 스트레스로 인해 회색으로 변하기도 했습니다.
죽은 3700은 ABI로 다시 보내지기를 기다리며 구내식당에 앉아 있었고, 결국 우리는 거의 시퀀서의 영안실에서 점심을 먹어야 하는 지경에 이르렀습니다. 나는 절망에 빠졌습니다. 결국 매일 일정한 수, 즉 230개의 작업 장치가 필요했습니다! 약 7천만 달러에 ABI는 하루 종일 중단 없이 작동하는 완벽하게 작동하는 장치 230개 또는 적어도 반나절 동안 작동하는 460개의 장치를 제공하겠다고 약속했습니다. 또한 Mike는 오류가 발생한 후 시퀀서를 즉시 수리할 수 있는 자격을 갖춘 기술 인력의 수를 두 배로 늘려야 했습니다.
그러나 같은 돈으로 이 모든 일을 하는 것이 무슨 소용이 있겠는가! 또한 Mike에게는 이제 정부 게놈 프로젝트라는 또 다른 고객이 생겼습니다. 이 프로젝트의 리더들은 이미 테스트 없이 수백 대의 장치를 구매하기 시작했습니다. Celera의 미래는 이러한 시퀀서에 달려 있지만 Mike는 ABI의 미래도 이들 시퀀서에 달려 있다는 사실을 깨닫지 못한 것 같습니다. ABI 엔지니어와 Celera 팀 간의 중요한 회의에서 명백히 알 수 있듯이 갈등은 불가피했습니다.
엄청난 수의 결함이 있는 기기와 시퀀서 오류를 수정하는 데 걸리는 시간에 대해 보고한 후 Mike는 다시 모든 책임을 직원들에게 전가하려고 했지만 그의 엔지니어들조차 그의 의견에 동의하지 않았습니다. 결국 Tony White가 개입했습니다. “비용이 얼마나 드는지, 그 때문에 누가 죽여야 하는지는 상관하지 않습니다.”라고 그는 말했습니다. 그러다가 처음이자 마지막으로 그는 정말 내 편을 들었습니다. 그는 Mike에게 다른 고객을 희생하고 비용이 얼마인지 아직 알 수 없더라도 가능한 한 빨리 새 시퀀서를 배송하도록 명령했습니다.
Tony는 또한 Mike에게 모든 문제의 원인을 신속하게 수리하고 파악하기 위해 20명의 기술자를 더 고용하라고 명령했습니다. 실제로는 숙련된 인력이 부족했기 때문에 말처럼 쉽지 않았습니다. 우선 Eric Lander는 가장 자격을 갖춘 엔지니어 두 명을 데려왔고 Mike의 의견으로는 우리도 비난을 받았습니다. Mike는 Mark Adams를 돌아보며 "다른 사람이 고용하기 전에 당신이 그들을 고용했어야 했습니다."라고 말했습니다. 그런 말을 한 후 나는 그에 대한 존경심을 완전히 잃었습니다. 결국 우리의 합의에 따르면 나는 ABI 직원을 고용할 수 없었지만 Lander와 정부 게놈 프로젝트의 다른 리더들은 그렇게 할 권리가 있었기 때문에 곧 최고의 ABI 엔지니어가 경쟁사를 위해 일하기 시작했습니다. 회의가 끝날 무렵 나는 문제가 여전히 남아 있다는 것을 깨달았지만 개선에 대한 희망의 빛이 밝아오기 시작했습니다.
즉시는 아니지만 그런 일이 일어났습니다. 우리의 시퀀서 무기고는 230개에서 300개로 늘어났으며, 그 중 20~25%가 실패하더라도 여전히 약 200개의 시퀀서가 작동하고 어떻게든 작업에 대처할 수 있었습니다. 기술 직원은 영웅적으로 일하고 수리 작업 속도를 꾸준히 높여 가동 중지 시간을 줄였습니다. 그동안 저는 한 가지 생각을 했습니다. 우리가 하고 있는 일은 할 수 있는 일이라는 것이었습니다. 수천 가지 이유로 실패가 발생했지만 실패는 내 계획의 일부가 아니었습니다.
우리는 이 작업을 완료했어야 할 무렵인 4월 8일부터 본격적으로 초파리 게놈 서열 분석을 시작했습니다. 물론 나는 White가 나를 제거하고 싶어한다는 것을 이해했지만 주요 작업을 완료하기 위해 최선을 다했습니다. 집에서는 긴장과 불안이 나를 괴롭혔지만, 나는 가장 “친밀한” 사람과 이러한 문제를 논의할 수 없었습니다. Claire는 내가 Celera의 일에 얼마나 몰두해 있는지 보고 경멸을 표했습니다. 그녀는 내가 TIGR/HGS에서 일하면서 했던 것과 같은 실수를 반복하고 있는 것처럼 느꼈습니다. 7월 1일까지 나는 베트남에서 그랬던 것처럼 깊은 우울감을 느꼈다.
컨베이어 방법이 아직 우리에게 적합하지 않았기 때문에 우리는 게놈 조각을 다시 "접착"하기 위해 힘들고 힘든 작업을 수행해야 했습니다. 반복으로 인해 주의가 산만해지지 않고 일치 항목을 감지하기 위해 Gene Myers는 내 버전의 샷건 방법의 핵심 원칙에 기반한 알고리즘을 제안했습니다. 즉, 모든 결과 클론의 양쪽 끝을 순서대로 나열합니다. Ham은 정확히 알려진 세 가지 크기의 클론을 얻었기 때문에 두 개의 터미널 서열이 서로 엄격하게 정의된 거리에 있다는 것을 알았습니다. 이전과 마찬가지로, 이 "일치" 방법은 우리에게 게놈을 재조립할 수 있는 훌륭한 기회를 제공할 것입니다.
그러나 시퀀스의 각 끝이 개별적으로 순서가 지정되었기 때문에 이 조립 방법이 정확하게 작동하려면 주의 깊게 기록을 유지해야 했습니다. 즉, 모든 끝 시퀀스 쌍을 올바르게 연결할 수 있었는지 절대적으로 확인해야 했습니다. 100번의 시도 중 1번은 오류가 발생하고 일관성을 위해 일치하는 항목이 발견되지 않으면 모든 것이 헛수고가 되어 방법이 작동하지 않습니다. 이를 방지하는 한 가지 방법은 바코드와 센서를 사용하여 프로세스의 각 단계를 추적하는 것입니다. 그러나 작업 초기에는 실험실 기술자가 시퀀싱에 필요한 소프트웨어와 장비가 없었기 때문에 모든 작업을 수동으로 수행해야 했습니다. Celera에서는 20명 미만의 소규모 팀이 매일 200,000개의 클론을 처리하는 기록을 세웠습니다. 우리는 384개 유정의 데이터를 잘못 읽는 등 일부 오류를 예상한 다음 컴퓨터를 사용하여 명백히 잘못된 작동을 찾아 상황을 수정할 수 있습니다. 물론 아직 부족한 부분도 있었지만, 이를 통해 오류를 없앨 수 있다는 팀의 실력과 자신감이 확인됐을 뿐입니다.
모든 어려움에도 불구하고 우리는 4개월 만에 3,156만 개의 서열을 읽을 수 있었으며, 이는 151만 개의 DNA 클론 끝 사이에 포함된 약 17억 6천만 개의 뉴클레오티드 쌍입니다. 이제 진 마이어스(Gene Myers)와 그의 팀, 그리고 우리 컴퓨터의 차례였습니다. 모든 섹션을 초파리 염색체에 모아야 했습니다. 섹션이 길어질수록 순서 지정의 정확도가 떨어졌습니다. Drosophila의 경우 염기서열은 평균 551개 염기쌍이었고 평균 정확도는 99.5%였습니다. 500자 시퀀스가 주어지면 거의 모든 사람이 일치하는 항목을 찾을 때까지 한 시퀀스를 다른 시퀀스로 이동하여 일치하는 항목을 찾을 수 있습니다.
헤모필루스 인플루엔자균의 서열을 분석하기 위해 우리는 26,000개의 서열을 보유했습니다. 각각을 다른 모든 것과 비교하려면 26,000번의 비교, 즉 6억 7,600만 번의 비교가 필요합니다. 315만 6천 개의 읽기를 보유한 초파리 게놈에는 약 9조 9천억 번의 비교가 필요합니다. 인간과 마우스의 경우 2,600만 개의 서열 판독을 생성했으며 약 680조 번의 비교가 필요했습니다. 따라서 대부분의 과학자들이 이 방법의 성공 가능성에 대해 매우 회의적인 것은 놀라운 일이 아닙니다.
마이어스는 모든 것을 고치겠다고 약속했지만 끊임없이 의심했습니다. 이제 그는 밤낮으로 일했고 지쳐서 왠지 회색빛이었습니다. 게다가 그는 가족 사이에 문제가 있었고, 우리 프로젝트에 대해 글을 쓰고 그림자처럼 연구 진행 상황을 지켜본 저널리스트 James Shreve와 함께 여가 시간의 대부분을 보내기 시작했습니다. 어떻게든 Gene의 주의를 분산시키려고 나는 그를 카리브해로 데리고 가서 휴식을 취하고 요트를 타고 항해했습니다. 그러나 거기에서도 그는 몇 시간 동안 노트북 앞에 몸을 굽힌 채 검은 눈썹을 찌푸리고 밝은 태양 때문에 검은 눈을 가늘게 뜨고 앉아 있었습니다. 그리고 엄청난 어려움에도 불구하고 Gene과 그의 팀은 6개월 만에 새로운 어셈블러를 위한 50만 라인 이상의 컴퓨터 코드를 생성할 수 있었습니다.
염기서열분석 결과가 100% 정확하고 중복된 DNA가 없다면 게놈 조립은 상대적으로 간단한 작업이 될 것입니다. 그러나 실제로 게놈에는 다양한 유형, 길이 및 빈도의 반복되는 DNA가 많이 포함되어 있습니다. 500개 염기쌍 미만의 짧은 반복은 상대적으로 다루기가 쉽지만 긴 반복은 더 어렵습니다. 이 문제를 해결하기 위해 우리는 "쌍 찾기" 방법을 사용했습니다. 즉, 최대 일치 수를 보장하기 위해 각 클론의 양쪽 끝을 시퀀싱하고 서로 다른 길이의 클론을 얻었습니다.
진 팀의 50만 줄의 컴퓨터 코드에 인코딩된 알고리즘은 단순히 두 시퀀스를 겹치는 것과 같은 가장 "무해한" 동작부터 감지된 쌍을 사용하여 다음과 같은 더 복잡한 동작까지 단계별 시나리오를 제안했습니다. 겹치는 시퀀스의 섬을 병합합니다. 그것은 마치 퍼즐을 맞추는 것과 같았습니다. 작은 섬들이 모여서 더 큰 섬이 되고, 그 과정이 다시 반복되는 것입니다. 우리 퍼즐에만 2,700만 조각이 있었습니다. 그리고 일련의 고품질 조립에서 섹션을 가져오는 것이 매우 중요했습니다. 퍼즐을 조립했는데 해당 요소의 색상이나 이미지가 흐릿하고 흐릿할 경우 어떤 일이 일어날지 상상해 보십시오. 게놈 서열의 장거리 순서의 경우, 판독의 상당 부분이 일치하는 쌍의 형태여야 합니다. 결과가 여전히 수동으로 추적되고 있다는 점을 감안할 때 우리가 보유한 시퀀스의 70%가 이와 똑같다는 사실을 알고 안도했습니다. 컴퓨터 모델러들은 낮은 비율이었다면 "Humpty Dumpty"를 조립하는 것이 불가능했을 것이라고 설명했습니다.
이제 우리는 Celera 어셈블러를 사용하여 시퀀스 순서를 지정할 수 있었습니다. 첫 번째 단계에서는 결과가 가장 높은 정확도를 달성하도록 조정되었습니다. 두 번째 단계에서 Screener는 플라스미드 또는 E. coli DNA에서 오염 서열을 제거했습니다. 조립 과정은 "외부" 서열의 염기쌍 10개만으로도 중단될 수 있습니다. 세 번째 단계에서 스크리너 프로그램은 각 조각이 초파리 게놈의 알려진 반복 서열(우리에게 "친절하게" 제공한 Jerry Rubin의 데이터)과 일치하는지 확인했습니다. 부분적으로 겹치는 영역이 있는 반복 위치가 기록되었습니다. 네 번째 단계에서는 또 다른 프로그램(Overlapper)이 각 조각을 다른 조각과 비교하여 중복되는 영역을 발견했습니다. 이는 엄청난 양의 수치 데이터를 처리하는 엄청난 실험이었습니다. 우리는 6% 미만의 차이가 있는 최소 40개의 겹치는 염기쌍을 찾는 것을 목표로 초당 3,200만 개의 단편을 비교했습니다. 두 개의 겹치는 영역을 발견했을 때 우리는 이를 소위 "contig"(겹치는 조각 집합)라는 더 큰 조각으로 결합했습니다.
이상적으로 이것은 게놈을 조립하기에 충분할 것입니다. 그러나 우리는 DNA 코드의 말더듬과 반복 문제를 해결해야 했습니다. 이는 DNA의 한 조각이 여러 다른 영역과 겹쳐서 가짜 연결을 만들 수 있음을 의미합니다. 작업을 단순화하기 위해 소위 "unitigs"라고 하는 고유하게 연결된 조각만 남겨 두었습니다. 이 작업을 수행하는 데 사용한 프로그램(Unitigger)은 기본적으로 우리가 확실하게 식별할 수 없는 모든 DNA 서열을 제거하고 이러한 단위만 남겼습니다. 이 단계를 통해 우리는 조각을 조립하기 위한 다른 옵션을 고려할 기회를 얻었을 뿐만 아니라 작업도 크게 단순화했습니다. 축소 후에는 겹치는 조각 수가 2억 1200만 개에서 310만 개로 줄어들었고 문제는 68배 단순화되었습니다. 퍼즐 조각은 점차적으로 그러나 꾸준하게 제자리에 맞춰졌습니다.
그런 다음 "골격" 알고리즘을 사용하여 동일한 클론의 시퀀스가 쌍을 이루는 방식에 대한 정보를 사용할 수 있습니다. 서로 겹치는 염기쌍을 가진 가능한 모든 단위가 특수한 틀로 결합되었습니다. 강의에서 이 단계를 설명하기 위해 저는 어린이용 장난감 조립 세트 Tinkertoys에 비유합니다. 다양한 길이의 막대기로 구성되어 있으며, 나무 열쇠 부분(볼, 디스크)에 있는 구멍에 꽂아 입체적인 구조를 만들 수 있습니다. 우리의 경우 핵심 부분은 단위입니다. 쌍을 이루는 서열이 2,000, 10,000 또는 50,000개의 염기쌍 길이의 클론의 끝에 위치한다는 것을 알면, 즉 서로 특정 개수의 홀만큼 떨어져 있는 것처럼 보이면 일렬로 늘어서 있을 수 있습니다.
초파리 게놈의 약 5분의 1에 해당하는 Jerry Rubin의 서열에 대해 이 기술을 테스트한 결과 단 500개의 간격이 나타났습니다. 8월에 자체 데이터를 테스트한 결과 800,000개 이상의 작은 조각이 발견되었습니다. 훨씬 더 많은 양의 처리 데이터를 통해 기술이 제대로 작동하지 않는 것으로 나타났습니다. 결과는 예상했던 것과 반대였습니다. 다음 며칠 동안 패닉이 커졌고 가능한 실수 목록이 늘어났습니다. 2호관 꼭대기층에서 '평온의 방'이라고 농담삼아 부르는 방 안으로 아드레날린이 솟구쳐 올랐다. 그러나 직원들이 문자 그대로 상황에서 벗어날 방법을 찾기 위해 원을 그리며 돌아다닐 때 특히 적어도 몇 주 동안 그곳에서는 평화나 평온함이 없었습니다.
이 문제는 결국 Overlapper 프로그램에 참여한 Arthur Delcher에 의해 해결되었습니다. 그는 150,000줄의 코드 중 678줄에서 이상한 점을 발견했습니다. 여기서 사소한 불일치로 인해 일치의 중요한 부분이 기록되지 않았습니다. 오류가 수정되어 9월 7일에 실제(진색성) 초파리 게놈을 덮는 134개의 세포 비계가 생겼습니다. 우리는 기뻐하며 안도의 한숨을 쉬었습니다. 우리의 성공을 전 세계에 알릴 때가 왔습니다.
제가 몇 년 전부터 주최하기 시작한 게놈 시퀀싱 컨퍼런스는 이에 대한 좋은 기회를 제공했습니다. 나는 우리가 약속을 지켰는지 확인하고 싶어하는 사람들이 많이 있을 것이라고 확신했습니다. 나는 마크 아담스(Mark Adams), 진 마이어스(Gene Myers), 제리 루빈(Jerry Rubin)이 우리의 성과에 대해, 그리고 무엇보다도 시퀀싱 과정, 게놈 조립 및 이것이 과학에 미치는 중요성에 대해 이야기해야 한다고 결정했습니다. 컨퍼런스에 오기를 원하는 사람들의 유입으로 인해 저는 컨퍼런스를 힐튼 헤드에서 마이애미의 더 큰 Fontainebleau 호텔로 옮겨야 했습니다. 이번 컨퍼런스에는 대형 제약 및 생명공학 기업 대표, 전 세계 게놈 연구 전문가, 상당수의 칼럼니스트, 기자, 투자 회사 대표 등 모두가 참석했습니다. Incyte의 경쟁자들은 컨퍼런스 후 리셉션 조직, 기업 비디오 촬영 등에 많은 돈을 썼습니다. 그들은 대중에게 "인간 게놈에 대한 가장 자세한 정보"를 제공하고 있음을 확신시키기 위해 모든 노력을 기울였습니다.
우리는 큰 회의실에 모였습니다. 무채색으로 장식하고 벽등으로 장식한 이 공간은 2천 명을 수용할 수 있도록 설계되었지만 사람들이 계속해서 찾아왔고 곧 홀은 가득 찼습니다. 컨퍼런스는 1999년 9월 17일 첫 번째 세션에서 Jerry, Mark, Gene의 발표로 시작되었습니다. 짧은 소개 후 Jerry Rubin은 청중이 자신이 참여했던 유명 회사의 최고의 공동 프로젝트에 대해 곧 듣게 될 것이라고 발표했습니다. 분위기가 뜨거워지고있었습니다. 청중은 우리가 정말 놀라운 것을 준비하지 않았다면 그가 그렇게 거창하게 말하지 않았을 것이라는 것을 깨달았습니다.
이어지는 침묵 속에서 Mark Adams는 Celera의 "가공 작업장" 작업과 새로운 게놈 서열 분석 방법을 자세히 설명하기 시작했습니다. 그러나 그는 청중을 놀리는 듯 조립된 게놈에 대해서는 한마디도 하지 않았다. 그런 다음 Gene이 나와서 샷건 방식의 원리, Haemophilus 서열 분석 및 어셈블러의 주요 단계에 대해 이야기했습니다. 그는 컴퓨터 애니메이션을 사용하여 역 게놈 조립의 전체 과정을 시연했습니다. 프레젠테이션에 할당된 시간이 얼마 남지 않았고 많은 사람들이 이미 구체적인 결과를 제시하지 않고 PowerPoint를 사용한 기본 프레젠테이션으로 모든 것을 제한하기로 결정했습니다. 그러나 Gene은 악의적인 미소를 지으며 청중이 여전히 실제 결과를 보고 싶어하고 모방에 만족하지 않을 것이라고 지적했습니다.
Gene Myers보다 더 명확하고 표현력 있게 결과를 제시하는 것은 불가능했습니다. 그는 시퀀싱 결과만으로는 올바른 인상을 줄 수 없다는 것을 깨달았기 때문에 좀 더 설득력을 주기 위해 전통적인 방법을 사용하여 Jerry가 열심히 연구한 결과와 비교했습니다. 그들은 동일한 것으로 밝혀졌습니다! 따라서 Jin은 우리의 게놈 조립 결과를 수십 년 전에 초파리 게놈에 매핑된 모든 알려진 마커와 비교했습니다. 수천 개의 마커 중 단 6개만이 우리 조립 결과와 일치하지 않았습니다. 여섯 가지 모두를 주의 깊게 조사함으로써 우리는 Celera의 서열 분석이 정확했으며 다른 실험실에서 기존 방법을 사용하여 수행한 작업에는 오류가 포함되어 있음을 확신했습니다. 마지막으로 Gene은 우리가 이제 막 인간 DNA 서열 분석을 시작했으며 반복은 초파리보다 문제가 덜할 것이라고 말했습니다.
크고 긴 박수가 이어졌습니다. 쉬는 시간에도 멈추지 않는 함성은 목표를 달성했다는 의미였다. 언론인 중 한 명은 정부 게놈 프로젝트 참가자가 슬프게 고개를 흔드는 것을 발견했습니다. "이 악당들은 정말 모든 것을 할 것 같습니다." 우리는 새로운 에너지를 충전하고 회의를 떠났습니다.
해결해야 할 두 가지 중요한 문제가 남아 있었는데, 둘 다 우리에게 친숙했습니다. 첫 번째는 결과를 게시하는 방법입니다. Jerry Rubin과 체결한 양해각서에도 불구하고, 우리 비즈니스 팀은 귀중한 Drosophila 시퀀싱 결과를 GenBank로 전송한다는 생각이 마음에 들지 않았습니다. 그들은 초파리 서열 분석 결과를 국립 생명공학 정보 센터의 별도 데이터베이스에 두어 모든 사람이 상업적 목적이 아닌 한 가지 조건에서 사용할 수 있도록 제안했습니다. 유럽 생물정보학 연구소(European Bioinformatics Institute)의 화끈하고 연쇄 담배를 피우는 마이클 애쉬버너(Michael Ashburner)는 이에 대해 극도로 불쾌해했습니다. 그는 Celera가 "모든 사람을 속였다"고 믿었습니다. (그는 Rubin에게 다음과 같이 썼습니다. "Celera에서 도대체 무슨 일이 일어나고 있는 걸까요?" 3) Collins도 기분이 좋지 않았지만 더 중요한 것은 Jerry Rubin도 마찬가지였습니다. 결국 저는 결과를 GenBank에 보냈습니다.
두 번째 문제는 Drosophila에 관한 것입니다. 우리는 게놈 서열 분석 결과를 얻었지만 그것이 의미하는 바를 전혀 이해하지 못했습니다. 4년 전 헤모필루스(Haemophilus)에 대해 그랬던 것처럼, 논문을 쓰고 싶다면 그것들을 분석해야 했습니다. 파리의 게놈을 분석하고 특성화하는 데는 1년 이상이 걸릴 수 있었는데, 지금은 인간 게놈에 집중해야 했기 때문에 그럴 시간이 없었습니다. Jerry 및 Mark와 이에 대해 논의한 후, 우리는 Drosophila에 대한 작업에 과학계를 참여시켜 이를 흥미진진한 과학적 문제로 전환하여 문제를 신속하게 진행시켜 지루한 게놈 설명 과정에서 벗어나 즐거운 휴가를 보내기로 결정했습니다. 국제 정찰 잼버리처럼요. 우리는 이를 게놈 잼버리(Genomic Jamboree)라고 불렀고 전 세계의 주요 과학자들을 록빌로 초대하여 약 1주일에서 10일 동안 파리의 게놈을 분석했습니다. 얻은 결과를 바탕으로 우리는 일련의 기사를 작성할 계획이었습니다.
모두가 그 아이디어를 좋아했습니다. Jerry는 주요 연구자 그룹에게 이벤트 초대장을 보내기 시작했고 Celera 생물정보학 전문가들은 과학자들의 작업을 최대한 효율적으로 만들기 위해 어떤 컴퓨터와 프로그램이 필요한지 결정했습니다. 우리는 Celera가 여행 및 숙박 비용을 지불하기로 합의했습니다. 초대받은 사람들 중에는 나를 가장 가혹하게 비판하는 사람들도 있었지만, 우리는 그들의 정치적 야망이 우리 사업의 성공에 영향을 미치지 않기를 바랐습니다.
11월에 약 40명의 초파리 전문가가 우리에게 도착했고, 심지어 우리의 적들에게도 그 제안은 거절하기에는 너무 매력적이었습니다. 처음에 참가자들이 며칠 내에 1억 개가 넘는 염기쌍의 유전자 코드를 분석해야 한다는 사실을 깨달았을 때 상황은 상당히 긴장되었습니다. 새로 도착한 과학자들이 자고 있는 동안 우리 직원들은 24시간 내내 일하며 예상치 못한 문제를 해결하기 위한 프로그램을 개발했습니다. 셋째 날, 손님 중 한 명이 말했듯이 과학자들이 "이전에는 거의 평생이 걸렸던 놀라운 발견을 몇 시간 만에" 할 수 있는 새로운 소프트웨어 도구가 있다는 것이 밝혀지자 상황은 진정되었습니다. 매일 정오, 중국 공의 신호에 따라 모두가 모여 최신 결과를 논의하고 현재 문제를 해결하며 다음 라운드 작업 계획을 세웠습니다.
매일 토론은 점점 더 흥미로워졌습니다. Celera 덕분에 손님들은 새로운 세계를 가장 먼저 접할 수 있는 기회를 얻었고, 공개된 내용은 기대 이상이었습니다. 우리가 원하는 모든 것을 논의하고 그것이 의미하는 바를 이해할 시간이 충분하지 않다는 것이 곧 밝혀졌습니다. Mark는 축하 만찬을 주최했는데, 모든 사람이 재빨리 연구실로 돌아가는 바람에 그 만찬은 오래 가지 못했습니다. 곧 점심과 저녁 식사는 초파리 게놈에 관한 데이터가 표시된 컴퓨터 화면 바로 앞에서 소비되었습니다. 처음으로 오랫동안 기다려온 수용체 유전자 계열이 인간 질병 유전자와 유사한 놀라운 수의 초파리 유전자와 함께 발견되었습니다. 발견할 때마다 즐거운 비명과 휘파람 소리, 다정하게 어깨를 두드리는 소리가 동반되었습니다. 놀랍게도 우리의 과학 축제 중에 한 커플이 약혼할 시간을 찾았습니다.
그러나 약간의 우려가 있었습니다. 연구 중에 과학자들은 예상된 2만 개가 아닌 약 1만 3천 개의 유전자만 발견했습니다. "낮은" 벌레 C. elegans에는 약 2만 개의 유전자가 있기 때문에 많은 사람들은 초파리가 10배 더 많은 세포를 갖고 있고 심지어 신경계까지 가지고 있기 때문에 더 많은 유전자를 가지고 있을 것이라고 믿었습니다. 계산에 오류가 없는지 확인하는 간단한 방법이 하나 있었습니다. 알려진 파리 유전자 2,500개를 가져와 시퀀스에서 그 중 몇 개를 찾을 수 있는지 확인하는 것입니다. 스탠포드 대학의 마이클 체리(Michael Cherry)는 신중한 분석 끝에 여섯 개의 유전자를 제외한 모든 유전자를 발견했다고 보고했습니다. 논의 후, 이들 6개 유전자는 인공물(artifact)로 분류되었습니다. 유전자가 오류 없이 식별되었다는 사실은 우리에게 영감을 주고 자신감을 주었습니다. 초파리 연구에 전념하는 수천 명의 과학자 커뮤니티는 수십 년 동안 그 2,500개의 유전자를 추적해 왔으며, 이제 컴퓨터 화면에는 무려 13,600개의 유전자가 눈앞에 있었습니다.
작업이 끝날 때 불가피하게 진행되는 사진 촬영 중에 잊을 수 없는 순간이 왔습니다. 전통적인 방식으로 어깨를 두드리며 다정하게 악수를 나눈 후 Mike Ashburner는 제가 그의 발을 밟고 사진에 영원히 남을 수 있도록 네 발로 엎드렸습니다. . 그래서 그는 모든 의심과 회의에도 불구하고 우리의 업적에 대한 공을 돌리기를 원했습니다. 유명한 유전학자이자 초파리 연구자인 그는 사진에 "거인의 어깨 위에 서다"라는 적절한 캡션을 쓰기도 했습니다. (그는 다소 허약한 체격을 갖고 있었습니다.) “그럴 자격이 있는 사람들에게 공을 돌리자”라고 그는 나중에 썼습니다. 우리의 반대자들은 우리의 약속에서 벗어난 것으로 시퀀싱 결과를 공개 데이터베이스에 전송하는 데 지연이 있다는 점을 제시하려고 했지만 그들 역시 그 회의가 "글로벌 초파리 연구에 매우 귀중한 기여"를 했다는 점을 인정할 수밖에 없었습니다 5 . 진정한 '과학적 열반'이 무엇인지 경험한 후 모두가 친구로 헤어졌습니다.
우리는 3개의 대규모 논문을 출판하기로 결정했습니다. 하나는 Mike를 첫 번째 저자로 하는 전체 게놈 서열 분석, 하나는 Gene을 첫 번째 저자로 하는 게놈 어셈블리, 세 번째는 Jerry를 첫 번째 저자로 하는 벌레, 효모 및 인간 게놈의 비교 유전체학에 관한 것입니다. 작가. 논문은 2000년 2월 사이언스(Science)에 제출되었고 콜드 스프링 하버(Cold Spring Harbor)에서 제리 루빈(Jerry Rubin)과 대화를 나눈 지 1년도 채 되지 않은 2000년 3월 24일 특별호에 게재되었습니다. 6 책이 출판되기 전에 Jerry는 피츠버그에서 열리는 연례 초파리 연구 컨퍼런스에서 제가 강연할 수 있도록 주선해 주었습니다. 이 컨퍼런스에는 해당 분야에서 가장 저명한 수백 명의 사람들이 참석했습니다. 방의 모든 의자에는 우리 직원들이 전체 초파리 게놈과 사이언스에 게재된 우리 논문의 재판본이 포함된 CD를 놓아두었습니다. Jerry는 나를 매우 따뜻하게 소개하면서 내가 모든 의무를 다했고 우리가 함께 잘 일했다고 군중에게 확신시켰습니다. 나의 강연은 회의 동안 수행된 일부 연구에 대한 보고와 CD에 있는 데이터에 대한 간략한 설명으로 끝났습니다. 내 연설이 끝난 후의 박수는 5년 전 함과 내가 미생물학 대회에서 처음으로 헤모필루스 게놈을 발표했을 때처럼 놀랍고 즐거웠습니다. 그 후 초파리 게놈에 관한 논문은 과학사에서 가장 많이 인용되는 논문이 되었습니다.
전 세계 수천 명의 초파리 연구자들이 그 결과에 기뻐했지만, 나를 비판하는 사람들은 재빨리 공세를 펼쳤습니다. John Sulston은 파리의 게놈 서열을 분석하려는 시도를 실패라고 불렀습니다. 비록 우리가 얻은 서열이 완성하는 데 4년이 더 걸렸던 벌레의 게놈 서열을 분석하기 위해 10년에 걸쳐 힘들게 노력한 결과보다 더 완전하고 정확했음에도 불구하고 말입니다. 사이언스에 초안을 게재한 후. Sulston의 동료 Maynard Olson은 Drosophila 게놈 서열을 정부의 인간 게놈 프로젝트가 Celera의 "은혜로" 정리해야 할 "불명예"라고 불렀습니다. 실제로 Jerry Rubin 팀은 2년 이내에 이미 서열이 분석된 게놈을 발표하고 비교 분석함으로써 서열에 남아 있는 공백을 신속하게 메울 수 있었습니다. 이 데이터는 전체 게놈에서 10kb당 1-2개의 오류가 있고 작업(진색성) 게놈에서 50kb당 1개 미만의 오류가 있음을 확인했습니다.
그러나 Drosophila 프로젝트에 대한 전반적인 호평에도 불구하고 Tony White와의 관계에 있는 긴장감은 1999년 여름에 최고조에 달했습니다. 화이트는 언론이 내 사람에게 쏟는 관심을 받아들일 수 없었습니다. 그는 Celera에 올 때마다 내 사무실 옆 복도 벽에 걸려 있는 우리의 업적에 관한 기사 사본을 지나쳤습니다. 그리고 여기에서 우리는 그 중 하나인 USA Today 신문의 일요일 보충 자료 표지를 확대했습니다. 그 위에는 "이 모험가가 우리 시대의 가장 위대한 과학적 발견을 할 것인가?"라는 제목 아래에 있습니다. 7은 파란색 체크무늬 셔츠를 입고 다리를 꼬고 있는 모습을 보여줬고, 내 주위에는 코페르니쿠스, 갈릴레오, 뉴턴, 아인슈타인이 공중에 떠 있었고 화이트의 흔적은 없었습니다.
매일 그의 언론 비서는 Tony가 Celera에서 진행되는 끝없는 인터뷰 흐름에 참여할 수 있는지 알아보기 위해 전화를 걸었습니다. 그는 약간 진정되었습니다. 그리고 다음 해에 그녀는 PerkinElmer의 자본금을 15억 달러에서 240억 달러로 늘릴 수 있었던 사람으로 그의 사진을 Forbes 잡지 표지에 실을 수 있게 되었을 때 잠시 진정했습니다8 . (“Tony White는 불쌍한 PerkinElmer를 첨단 기술 유전자 포수로 변모시켰습니다.”) Tony는 또한 나의 사회 활동에 괴로워했습니다.
나는 일주일에 한 번 정도 강연을 했는데, 전 세계가 우리 작업에 대해 알고 싶어 했기 때문에 끊임없이 받는 수많은 초대 중 극히 일부를 수락했습니다. 토니는 PE Corporation으로 이름을 바꾼 PerkinElmer의 이사회에 나의 여행과 외모가 기업 규칙을 위반했다고 불평하기도 했습니다. Cape Cod에 있는 내 집에서 2주간의 휴가(자비) 동안 Tony는 CFO Dennis Winger 및 Applera 법률 고문 William Sauch와 함께 Celera로 날아가 "Venter의 경영 효율성"에 대해 내 최고 직원들과 인터뷰했습니다. 그들은 나의 해고를 정당화할 만큼 충분한 흙을 모으기를 바랐습니다. 내가 그만두면 그들도 그만둘 것이라고 모두가 말하자 화이트는 충격을 받았습니다. 이로 인해 우리 팀 내에 많은 긴장이 생겼지만, 동시에 우리는 그 어느 때보다 더 가까워졌습니다. 우리는 모든 승리를 마치 마지막 승리인 것처럼 축하할 준비가 되어 있었습니다.
파리의 게놈 서열이 발표된 후(당시 역사상 가장 큰 서열) Gene, Ham, Mark와 나는 성공을 인정받을 만큼 오랫동안 Tony White를 지켜온 것에 대해 건배했습니다. 우리는 우리의 방법이 인간 게놈의 서열을 분석할 때에도 효과가 있음을 입증했습니다. Tony White가 다음 날 자금 조달을 중단하더라도 우리의 주요 성과는 우리와 함께 남을 것임을 알았습니다. 무엇보다 토니 화이트를 상대하지 않고 셀레라를 떠나고 싶었지만, 호모 사피엔스의 게놈 서열을 더욱 분석하고 싶었기 때문에 타협을 해야만 했다. 나는 작업을 계속하고 내 계획을 완료하기 위해 White를 기쁘게하기 위해 최선을 다했습니다.
노트
1. Shreeve J. 게놈 전쟁: Craig Venter가 생명의 암호를 포착하고 세상을 구하려고 시도한 방법(New York: Ballantine, 2005), p. 285.
2. Ashburner M. Won for All: 초파리 게놈의 서열 분석 방법(Cold Spring Harbor Laboratory Press, 2006), p. 45.
3. Shreeve J. 게놈 전쟁, p. 300.
4. Ashburner M. 모두를 위한 승리, p. 55.
5. Sulston J., Ferry G. The Common Thread(런던: Corgi, 2003), p. 232.
6. Adams M.D., Celniker S.E. 외. "Drosophila Melanogaster의 게놈 서열", Science, no. 287, 2185–95, 2000년 3월 24일.
7. Gillis J. “이 MAVERICK은 그의 시대의 가장 위대한 과학적 발견을 열어줄 것인가? 코페르니쿠스, 뉴턴, 아인슈타인 그리고 VENTER?”, USA Weekend, 1999년 1월 29~31일.
8. Ross P. E. “Gene Machine”, Forbes, 2000년 2월 21일.
크레이그 벤터
