กลับไปหน้าบทความ

อ่าน 14 นาที

ไม่มีชื่อบทความ

ในสาขา ชีววิทยาโมเลกุล และ พันธุศาสตร์ จี โนม คือข้อมูลทางพันธุกรรมทั้งหมดของสิ่งมีชีวิต ประกอบด้วย ลำดับนิ วคลีโอ ไทด์ของ DNA (หรือ RNA ใน ไวรัส RNA )...

จีโนม

ภาพแสดงโครโมโซม 46 คู่ที่ประกอบกันเป็นจีโนมแบบดิพลอยด์ของมนุษย์เพศชาย (ไม่แสดงโครโมโซมไมโทคอนเดรีย)

ในสาขาชีววิทยาโมเลกุลและพันธุศาสตร์จีโนมคือข้อมูลทางพันธุกรรมทั้งหมดของสิ่งมีชีวิต ประกอบด้วย ลำดับนิ วคลีโอไทด์ของDNA (หรือRNAในไวรัส RNA ) จีโนมนิวเคลียร์ประกอบด้วยยีนที่เข้ารหัสโปรตีนและยีนที่ไม่เข้ารหัส รวมถึงบริเวณการทำงานอื่นๆ ของจีโนม เช่น ลำดับควบคุม (ดูDNA ที่ไม่เข้ารหัส ) และมักจะมี DNA ขยะจำนวนมากที่ไม่มีหน้าที่ชัดเจน[ 1 ] [ 2 ] ยูคาริโอ ตเกือบทั้งหมดมีไมโท คอนเดรีย และจีโนมไมโทคอนเดรีย ขนาดเล็ก [ 1 ]สาหร่ายและพืชยังมีคลอโรพลาสต์พร้อมจีโนมคลอโรพลาสต์ ด้วย

การศึกษาจีโนมเรียกว่าจีโนมิกส์จีโนมของสิ่งมีชีวิตหลายชนิดได้รับการจัดลำดับและมีการระบุตำแหน่งในภูมิภาคต่างๆ จีโนมแรกที่ได้รับการจัดลำดับคือจีโนมของไวรัส φX174 ในปี 1977 [ 3 ]ลำดับจีโนมแรกของโปรคาริโอต ( Haemophilus influenzae ) ได้รับการตีพิมพ์ในปี 1995 [ 4 ] จีโนม ของยีสต์ ( Saccharomyces cerevisiae ) เป็นจีโนมยูคาริโอตแรกที่ได้รับการจัดลำดับในปี 1996 [ 5 ]โครงการจีโนมมนุษย์เริ่มต้นในเดือนตุลาคม 1990 และลำดับร่างแรกของจีโนมมนุษย์ได้รับการรายงานในเดือนเมษายน 2003 [ 6 ] [ 7 ]

ที่มาของคำ

คำว่าจีโนมถูกสร้างขึ้นในปี พ.ศ. 2463 โดยHans Winkler [ 8 ] ศาสตราจารย์ด้านพฤกษศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยฮัมบูร์กประเทศเยอรมนี เว็บไซต์Oxford DictionariesและOnline Etymology Dictionaryแนะนำว่าชื่อนี้เป็นการผสมผสานระหว่างคำว่ายีนและโครโมโซม[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] อย่างไรก็ตามโปรดดูomicsสำหรับการอภิปรายที่ละเอียดกว่านี้ มี คำที่ลงท้ายด้วย -ome ที่เกี่ยวข้อง อยู่บ้างแล้ว เช่นbiomeและrhizomeซึ่งก่อให้เกิดคำศัพท์ที่จีโนมจัดอยู่ในระบบอย่างเป็นระบบ[ 13 ]

คำนิยาม

โดยทั่วไป คำว่า "จีโนม" หมายถึงโมเลกุล DNA (หรือบางครั้ง RNA) ที่บรรจุข้อมูลทางพันธุกรรมในสิ่งมีชีวิต แต่บางครั้งก็ไม่แน่ใจว่าจะรวมโมเลกุลใดบ้าง ตัวอย่างเช่น แบคทีเรียมักจะมีโมเลกุล DNA ขนาดใหญ่หนึ่งหรือสองโมเลกุล ( โครโมโซม ) ที่บรรจุสารพันธุกรรมที่จำเป็นทั้งหมด แต่พวกมันยังมีโมเลกุล พลาสมิดนอกโครโมโซมขนาดเล็กกว่าที่บรรจุข้อมูลทางพันธุกรรมที่สำคัญอีกด้วย ในเอกสารทางวิทยาศาสตร์ คำว่า 'จีโนม' มักหมายถึงโมเลกุล DNA โครโมโซมขนาดใหญ่ในแบคทีเรีย[ 14 ]

จีโนมนิวเคลียร์

จีโนมของยูคาริโอตนั้นยากต่อการกำหนดมากยิ่งขึ้นไปอีก เนื่องจากเกือบทุกสปีชีส์ของยูคาริโอตมีโครโมโซมในนิวเคลียสบวกกับโมเลกุล DNA เพิ่มเติมในไมโทคอนเดรียนอกจากนี้ สาหร่ายและพืชยังมี DNA ในคลอโรพลาสต์ตำราส่วนใหญ่แยกความแตกต่างระหว่างจีโนมในนิวเคลียสและจีโนมของออร์แกเนลล์ (ไมโทคอนเดรียและคลอโรพลาสต์) ดังนั้นเมื่อพวกเขาพูดถึงจีโนมของมนุษย์ พวกเขาจึงหมายถึงเฉพาะสารพันธุกรรมในนิวเคลียสเท่านั้น[ 1 ] [ 15 ]นี่คือการใช้คำว่า 'จีโนม' ที่พบได้บ่อยที่สุดในวรรณกรรมทางวิทยาศาสตร์

ระดับพลอยดี

ยูคาริโอตส่วนใหญ่เป็นดิพลอยด์หมายความว่ามีโครโมโซมสองชุดในนิวเคลียส แต่ 'จีโนม' หมายถึงโครโมโซมเพียงชุดเดียวเท่านั้น ยูคาริโอตบางชนิดมีโครโมโซมเพศที่แตกต่างกัน เช่น โครโมโซม X และ Y ของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม ดังนั้นคำจำกัดความทางเทคนิคของจีโนมจึงต้องรวมโครโมโซมเพศทั้งสองชุดด้วย ตัวอย่างเช่น จีโนมอ้างอิงมาตรฐานของมนุษย์ประกอบด้วยออโตโซม 22 คู่ ชุดละหนึ่งชุด บวกกับโครโมโซม X หนึ่งชุด และโครโมโซม Y หนึ่งชุด[ 16 ]

การจัดลำดับและการทำแผนที่

ลำดับจีโนม คือรายการนิวคลีโอไทด์ ทั้งหมด (A, C, G และ T สำหรับจีโนม DNA) ที่ประกอบขึ้นเป็นโครโมโซม ทั้งหมด ของแต่ละบุคคลหรือแต่ละสายพันธุ์ ในสายพันธุ์เดียวกัน นิวคลีโอไทด์ส่วนใหญ่จะเหมือนกันในแต่ละบุคคล แต่การจัดลำดับจีโนมจากหลายบุคคลเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อทำความเข้าใจความหลากหลายทางพันธุกรรม

ส่วนหนึ่งของลำดับดีเอ็นเอ – การสร้างต้นแบบของจีโนมไวรัสที่สมบูรณ์

ในปี พ.ศ. 2519 Walter Fiersจากมหาวิทยาลัย Ghent (เบลเยียม) เป็นคนแรกที่สร้างลำดับนิวคลีโอไทด์ที่สมบูรณ์ของจีโนม RNA ของไวรัส ( แบคทีริโอเฟจ MS2 ) ปีต่อมาFred Sangerได้สร้างลำดับจีโนม DNA ตัวแรกสำเร็จ คือPhage X174ซึ่งมีเบสคู่ 5386 คู่[ 17 ] [ 18 ]จีโนมแบคทีเรียตัวแรกที่ได้รับการจัดลำดับคือHaemophilus influenzaeซึ่งทีมงานจากสถาบันวิจัยจีโนม ได้ทำสำเร็จ ในปี พ.ศ. 2538 ไม่กี่เดือนต่อมา จีโนมยูคาริโอตตัวแรกก็เสร็จสมบูรณ์ โดยมีการเผยแพร่ลำดับของโครโมโซม 16 โครโมโซมของยีสต์Saccharomyces cerevisiaeซึ่งเป็นผลมาจากความพยายามที่นำโดยยุโรปซึ่งเริ่มต้นในช่วงกลางทศวรรษ พ.ศ. 2523 ลำดับจีโนมแรกของอาร์เคีย Methanococcus jannaschiiเสร็จสมบูรณ์ในปี 1996 โดยสถาบันวิจัยจีโนมิกส์อีกครั้ง[ 19 ]

การพัฒนาเทคโนโลยีใหม่ๆ ทำให้การจัดลำดับจีโนมมีราคาถูกลงและง่ายขึ้นอย่างมาก และจำนวนลำดับจีโนมที่สมบูรณ์ก็เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วสถาบันสุขภาพแห่งชาติของสหรัฐอเมริกาดูแลฐานข้อมูลข้อมูลจีโนมที่ครอบคลุมหลายแห่ง[ 20 ]ในบรรดาโครงการจัดลำดับจีโนมที่เสร็จสมบูรณ์หลายพันโครงการนั้นรวมถึงข้าวหนูพืชArabidopsis thaliana ปลาปักเป้า และแบคทีเรีย E. coli ในเดือนธันวาคม 2013 นักวิทยาศาสตร์ได้จัดลำดับจีโนมทั้งหมดของมนุษย์นีแอนเดอร์ทัซึ่งเป็นสายพันธุ์มนุษย์ที่สูญพันธุ์ไปแล้วเป็นครั้งแรกจีโนถูกสกัดจากกระดูกนิ้วเท้า ของมนุษย์นีแอนเดอร์ทั ลอายุ 130,000 ปีที่พบในถ้ำไซบีเรีย[ 21 ] [ 22 ]

จีโนมของไวรัส

จีโนมของไวรัสสามารถประกอบด้วย RNA หรือ DNA ก็ได้ จีโนมของไวรัส RNAอาจเป็นRNA สายเดี่ยวหรือRNA สายคู่และอาจมีโมเลกุล RNA แยกกันหนึ่งโมเลกุลหรือมากกว่า (ส่วน: จีโนมแบบโมโนพาร์ทิตหรือมัลติพาร์ทิต) ไวรัส DNA สามารถมีจีโนมแบบสายเดี่ยวหรือสายคู่ก็ได้ จีโนมของไวรัส DNA ส่วนใหญ่ประกอบด้วยโมเลกุล DNA เส้นตรงเพียงโมเลกุลเดียว แต่บางชนิดก็ประกอบด้วยโมเลกุล DNA แบบวงกลม[ 23 ]

จีโนมของโปรคาริโอต

โปรคาริโอตและยูคาริโอตมีจีโนม DNA อาร์เคี ยและแบคทีเรียส่วนใหญ่มีโครโมโซมวงกลม เดี่ยว [ 24 ]อย่างไรก็ตาม แบคทีเรียบางชนิดมีโครโมโซมเชิงเส้นหรือหลายโครโมโซม[ 25 ] [ 26 ]หาก DNA ถูกจำลองเร็วกว่าการแบ่งเซลล์ของแบคทีเรีย โครโมโซมหลายชุดสามารถมีอยู่ในเซลล์เดียวได้ และหากเซลล์แบ่งตัวเร็วกว่าที่ DNA จะถูกจำลอง การจำลองโครโมโซมหลายครั้งจะเริ่มต้นขึ้นก่อนการแบ่งเซลล์ ทำให้เซลล์ลูกสามารถสืบทอดจีโนมที่สมบูรณ์และโครโมโซมที่จำลองบางส่วนแล้วได้ โปรคาริโอตส่วนใหญ่มีDNA ที่ซ้ำกัน น้อยมาก ในจีโนมของพวกมัน[ 27 ]อย่างไรก็ตามแบคทีเรียที่อยู่ร่วมกันแบบพึ่งพาอาศัยกัน บางชนิด (เช่นSerratia symbiotica ) มีจีโนมที่ลดลงและมีสัดส่วนของยีนเทียมสูง: มีเพียง ~40% ของ DNA เท่านั้นที่เข้ารหัสโปรตีน[ 28 ] [ 29 ]

แบคทีเรียบางชนิดมีสารพันธุกรรมเสริม ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของจีโนมเช่นกัน และถูกบรรจุอยู่ในพลาสมิดด้วยเหตุนี้ คำว่าจีโนมจึงไม่ควรใช้เป็นคำพ้องความหมายกับคำว่าโครโมโซม

จีโนมยูคาริโอต

ในเซลล์มนุษย์ทั่วไป จีโนมจะบรรจุอยู่ในออโตโซม 22 คู่ โครโมโซมเพศ 2 คู่ (แบบเพศหญิงและเพศชายแสดงในภาพด้านล่างขวา) รวมถึงจีโนมไมโทคอนเดรีย (แสดงในสเกลจริงเป็น "MT" ที่ภาพด้านล่างซ้าย)

จีโนมยูคาริโอตประกอบด้วยโครโมโซม DNA เชิงเส้นหนึ่งอันหรือมากกว่า จำนวนโครโมโซมแตกต่างกันอย่างมาก ตั้งแต่มด Jack jumperและหนอนตัวกลมที่สืพันธุ์แบบไม่อาศัยเพศ [ 30 ] ซึ่งแต่ละตัวมีเพียงคู่เดียว ไปจนถึงเฟิร์นชนิดหนึ่งที่มี 720 คู่[ 31 ]ปริมาณ DNA ที่จีโนมยูคาริโอตมีนั้นน่าประหลาดใจเมื่อเทียบกับจีโนมอื่นๆ ปริมาณนี้มากกว่าที่จำเป็นสำหรับยีนที่เข้ารหัสโปรตีนและยีนที่ไม่เข้ารหัส DNA เสียอีก เพราะจีโนมยูคาริโอตแสดงความแปรผันของขนาดมากถึง 64,000 เท่า[ 32 ]อย่างไรก็ตาม ลักษณะพิเศษนี้เกิดจากการมี DNA ที่ซ้ำกันและองค์ประกอบที่เคลื่อนย้ายได้ (TEs )

เซลล์มนุษย์โดยทั่วไปมี โครโมโซมร่างกาย 2 ชุด ชุดละ 22 คู่โดยได้รับมาจากพ่อและแม่คนละชุด นอกจากนี้ยังมีโครโมโซมเพศ อีก 2 คู่ ทำให้เป็นเซลล์ดิพลอยด์ ส่วนเซลล์สืบพันธุ์เช่น ไข่ อสุจิ สปอร์ และละอองเรณู เป็นเซลล์แฮพลอยด์ หมายความว่ามีโครโมโซมเพียงชุดเดียว นอกจากโครโมโซมในนิวเคลียสแล้ว ออร์แกเนลล์ต่างๆ เช่นคลอโรพลาสต์และไมโทคอนเดรียก็มีดีเอ็นเอของตัวเอง บางครั้งไมโทคอนเดรียก็ถูกกล่าวว่ามีจีโนมของตัวเอง ซึ่งมักเรียกว่า " จีโนมไมโทคอนเดรีย " ส่วนดีเอ็นเอที่พบในคลอโรพลาสต์อาจเรียกว่า " พลาสโตม " เช่นเดียวกับแบคทีเรียที่เป็นต้นกำเนิด ไมโทคอนเดรียและคลอโรพลาสต์มีโครโมโซมเป็นวงกลม

ต่างจากโปรคาริโอตที่การจัดระเบียบเอ็กซอน-อินตรอนของยีนที่เข้ารหัสโปรตีนมีอยู่แต่ค่อนข้างเป็นข้อยกเว้น ยูคาริโอตโดยทั่วไปมีคุณลักษณะเหล่านี้ในยีนของพวกมัน และจีโนมของพวกมันมีดีเอ็นเอซ้ำในปริมาณที่แตกต่างกัน ในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมและพืช จีโนมส่วนใหญ่ประกอบด้วยดีเอ็นเอซ้ำ[ 33 ]

การจัดลำดับดีเอ็นเอ

เทคโนโลยีที่มีประสิทธิภาพสูงทำให้การจัดลำดับดีเอ็นเอเพื่อประกอบจีโนมใหม่เป็นเรื่องที่ทุกคนสามารถเข้าถึงได้ โดยทั่วไปแล้ว ความแตกต่างของลำดับดีเอ็นเอจะถูกค้นพบโดยการเปรียบเทียบไอโซเลตที่จัดลำดับใหม่กับไอโซเลตอ้างอิง ในขณะที่การวิเคราะห์ความลึกของการครอบคลุมและโครงสร้างการจับคู่สามารถให้รายละเอียดเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงโครงสร้าง เช่น การย้ายตำแหน่งของโครโมโซมและการทำซ้ำส่วนของดีเอ็นเอ

ลำดับการเข้ารหัส

ลำดับ DNA ที่มีคำสั่งในการสร้างโปรตีนเรียกว่าลำดับการเข้ารหัส สัดส่วนของจีโนมที่ถูกครอบครองโดยลำดับการเข้ารหัสมีความแตกต่างกันอย่างมาก จีโนมที่ใหญ่กว่าไม่ได้หมายความว่าจะมีจำนวนยีนมากกว่าเสมอไป และสัดส่วนของ DNA ที่ไม่ซ้ำกันจะลดลงเมื่อขนาดจีโนมเพิ่มขึ้นในยูคาริโอตที่ซับซ้อน[ 33 ]

ลำดับที่ไม่เข้ารหัส

ลำดับที่ไม่เข้ารหัสประกอบด้วยอินทรอนลำดับสำหรับอาร์เอ็นเอที่ไม่เข้ารหัส บริเวณควบคุม และดีเอ็นเอที่ซ้ำกัน ลำดับที่ไม่เข้ารหัสประกอบขึ้นเป็น 98% ของจีโนมมนุษย์ มีดีเอ็นเอที่ซ้ำกันสองประเภทในจีโนม ได้แก่การทำซ้ำแบบเรียงต่อกันและการทำซ้ำแบบกระจาย[ 34 ]

การเล่นซ้ำแบบคู่

ลำดับสั้นๆ ที่ไม่มีการเข้ารหัสซึ่งซ้ำกันแบบหัวต่อท้ายเรียกว่าลำดับซ้ำแบบแทนเดม ไมโครแซทเทลไลต์ประกอบด้วยการซ้ำกัน 2–5 คู่เบส ในขณะที่มินิแซทเทลไลต์มีการซ้ำกัน 30–35 คู่เบส ลำดับซ้ำแบบแทนเดมประกอบขึ้นเป็นประมาณ 4% ของจีโนมมนุษย์และ 9% ของจีโนมแมลงวันผลไม้[ 35 ]ลำดับซ้ำแบบแทนเดมสามารถทำหน้าที่ได้ ตัวอย่างเช่นเทโลเมียร์ประกอบด้วยลำดับซ้ำแบบแทนเดม TTAGGG ในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม และมีบทบาทสำคัญในการปกป้องปลายโครโมโซม

ในกรณีอื่นๆ การขยายตัวของจำนวนการทำซ้ำแบบคู่ในเอ็กซอนหรืออินตรอนอาจทำให้เกิดโรคได้ [ 36 ] ตัวอย่างเช่น ยีนฮันติงติน (Htt) ของมนุษย์โดยทั่วไปมีการทำซ้ำแบบคู่ของนิวคลีโอไทด์ CAG (ซึ่งเข้ารหัสส่วนของโพลีกลูตามีน) จำนวน 6–29 ครั้ง การขยายตัวเป็นมากกว่า 36 ครั้งจะส่งผลให้เกิดโรคฮันติงตันซึ่งเป็นโรคทางระบบประสาทเสื่อม มีความผิดปกติของมนุษย์ 20 ชนิดที่ทราบกันว่าเกิดจากการขยายตัวของการทำซ้ำแบบคู่ที่คล้ายกันในยีนต่างๆ กลไกที่โปรตีนที่มีส่วนของโพลีกลูตามีนที่ขยายตัวทำให้เซลล์ประสาทตายยังไม่เป็นที่เข้าใจอย่างสมบูรณ์ ความเป็นไปได้ประการหนึ่งคือโปรตีนไม่สามารถพับตัวได้อย่างถูกต้องและหลีกเลี่ยงการย่อยสลาย แต่กลับสะสมเป็นกลุ่มก้อนที่กักเก็บปัจจัยการถอดรหัสที่สำคัญไว้ด้วย จึงทำให้การแสดงออกของยีนเปลี่ยนแปลงไป[ 36 ]

ลำดับซ้ำแบบคู่มักเกิดจากการเลื่อนหลุดระหว่างการจำลองแบบ การไขว้กันที่ไม่เท่ากัน และการแปลงยีน[ 37 ]

องค์ประกอบที่เคลื่อนย้ายได้

องค์ประกอบที่เคลื่อนย้ายได้ (TEs) คือลำดับของ DNA ที่มีโครงสร้างที่กำหนดไว้ ซึ่งสามารถเปลี่ยนตำแหน่งในจีโนม ได้ [ 35 ] [ 27 ] [ 38 ] TEs ถูกจัดประเภทเป็นกลไกที่จำลองตัวเองโดยการคัดลอกและวาง หรือเป็นกลไกที่สามารถแยกออกจากจีโนมและแทรกเข้าไปในตำแหน่งใหม่ได้ ในจีโนมของมนุษย์ มี TEs ที่สำคัญ 3 ประเภท ซึ่งประกอบกันเป็น DNA ของมนุษย์มากกว่า 45% ได้แก่ องค์ประกอบนิวเคลียร์แทรกยาว (LINEs) องค์ประกอบนิวเคลียร์แทรก (SINEs) และเรโทรไวรัสภายในร่างกาย องค์ประกอบเหล่านี้มีศักยภาพสูงในการปรับเปลี่ยนการควบคุมทางพันธุกรรมในสิ่งมีชีวิตเจ้าบ้าน[ 32 ]

การเคลื่อนที่ของ TE เป็นแรงผลักดันสำคัญของวิวัฒนาการจีโนมในยูคาริโอต เนื่องจากการแทรกของ TE สามารถรบกวนการทำงานของยีนได้ การรวมตัวแบบโฮโมโลกัสระหว่าง TE สามารถสร้างการทำซ้ำได้ และ TE สามารถสลับเอ็กซอนและลำดับควบคุมไปยังตำแหน่งใหม่ได้[ 39 ]

เรโทรทรานสโพซอน

เรโทรทรานสโพซอน[ 40 ]พบได้มากในยูคาริโอต แต่ไม่พบในโปรคาริโอต เรโทรทรานสโพซอนเป็นส่วนประกอบสำคัญของจีโนมของยูคาริโอตหลายชนิด เรโทรทรานสโพซอนเป็นองค์ประกอบที่สามารถเคลื่อนย้ายได้ซึ่งเคลื่อนย้ายผ่านตัวกลางRNA เรโทรทรานสโพซอน [ 41 ]ประกอบด้วยDNAแต่จะถูกถอดรหัสเป็น RNA เพื่อการเคลื่อนย้าย จากนั้น RNA ที่ถอดรหัสจะถูกคัดลอกกลับไปเป็น DNA อีกครั้งด้วยความช่วยเหลือของเอนไซม์เฉพาะที่เรียกว่ารีเวิร์สทรานสคริปเทส เรโทรทรานสโพซอนที่มีรีเวิร์สทรานสคริปเทสอยู่ในลำดับของมันสามารถกระตุ้นการเคลื่อนย้ายของตัวเองได้ แต่เรโทรทรานสโพซอนที่ไม่มีรีเวิร์สทรานสคริปเทสจะต้องใช้รีเวิร์สทรานสคริปเทสที่สังเคราะห์โดยเรโทรทรานสโพซอนอื่น เรโทรท รานสโพซอนสามารถถอดรหัสเป็น RNA ซึ่งจะถูกทำซ้ำที่ตำแหน่งอื่นในจีโนม[ 42 ]เรโทรทรานสโพซอนสามารถแบ่งออกเป็นแบบซ้ำปลายยาว (LTRs) และแบบซ้ำปลายไม่ยาว (Non-LTRs) [ 39 ]

ลำดับปลายยาว (LTRs)มาจากการติดเชื้อเรโทรไวรัสโบราณ ดังนั้นจึงเข้ารหัสโปรตีนที่เกี่ยวข้องกับโปรตีนเรโทรไวรัส รวมถึง gag (โปรตีนโครงสร้างของไวรัส), pol (รีเวิร์สทรานสคริปเทสและอินทิเกรส), pro (โปรตีเอส) และในบางกรณี env (เอนเวลอป) ยีน[ 38 ]ยีนเหล่านี้ถูกล้อมรอบด้วยลำดับซ้ำยาวทั้งที่ปลาย 5' และ 3' มีรายงานว่า LTRs ประกอบด้วยส่วนที่ใหญ่ที่สุดในจีโนมของพืชส่วนใหญ่ และอาจเป็นสาเหตุของความแปรผันอย่างมากในขนาดจีโนม[ 43 ]

ลำดับซ้ำปลายที่ไม่ยาว (Non-LTRs)ถูกจัดประเภทเป็นองค์ประกอบนิวเคลียร์แทรกยาว (LINEs) องค์ประกอบนิวเคลียร์แทรกสั้น (SINEs) และองค์ประกอบคล้ายเพเนโลป (PLEs) ในDictyostelium discoideumมีองค์ประกอบคล้าย DIRS อีกตัวหนึ่งที่อยู่ในกลุ่ม Non-LTRs Non-LTRs แพร่กระจายอย่างกว้างขวางในจีโนมยูคาริโอต[ 44 ]

องค์ประกอบแทรกยาว (LINEs) เข้ารหัสยีนสำหรับรีเวิร์สทรานสคริปเทสและเอนโดนิวคลีเอส ทำให้เป็นองค์ประกอบเคลื่อนย้ายได้อิสระ จีโนมมนุษย์มี LINEs ประมาณ 500,000 ตัว คิดเป็นประมาณ 17% ของจีโนม[ 45 ]

องค์ประกอบแทรกสั้น (SINEs) มักมีความยาวน้อยกว่า 500 คู่เบสและไม่เป็นอิสระ ดังนั้นจึงต้องอาศัยโปรตีนที่เข้ารหัสโดย LINEs สำหรับการเคลื่อนย้าย[ 46 ]องค์ประกอบAluเป็น SINE ที่พบได้บ่อยที่สุดในไพรเมต มีความยาวประมาณ 350 คู่เบสและครอบครองประมาณ 11% ของจีโนมมนุษย์ด้วยจำนวนประมาณ 1,500,000 สำเนา[ 39 ]

ทรานสโพซอนดีเอ็นเอ

ทรานสโพซอน DNAเข้ารหัสเอนไซม์ทรานสโพเซสระหว่างลำดับซ้ำปลายกลับด้าน เมื่อแสดงออก ทรานสโพเซสจะจดจำลำดับซ้ำปลายกลับด้านที่อยู่ขนาบข้างทรานสโพซอนและเร่งปฏิกิริยาการตัดออกและการแทรกกลับเข้าไปในตำแหน่งใหม่[ 35 ]กลไกการตัดและวางนี้มักจะแทรกทรานสโพซอนกลับเข้าไปใกล้กับตำแหน่งเดิม (ภายใน 100  กิโลเบส) [ 39 ]ทรานสโพซอน DNA พบได้ในแบคทีเรียและประกอบขึ้นเป็น 3% ของจีโนมมนุษย์และ 12% ของจีโนมของหนอนตัวกลมC. elegans [ 39 ]

ขนาดจีโนม

กราฟลอการิทึมคู่แสดงจำนวนโปรตีนทั้งหมดที่มีคำอธิบายประกอบในจีโนมที่ส่งไปยังGenBankเทียบกับขนาดของจีโนม

ขนาดจีโนมคือจำนวนคู่เบส DNA ทั้งหมดใน จีโนมแฮ พลอยด์ หนึ่งชุด ขนาดจีโนมแตกต่างกันอย่างมากในแต่ละสปีชีส์ สัตว์ไม่มีกระดูกสันหลังมีจีโนมขนาดเล็ก ซึ่งสัมพันธ์กับจำนวนองค์ประกอบที่เคลื่อนย้ายได้จำนวนน้อย ปลาและสัตว์สะเทินน้ำสะเทินบกมีจีโนมขนาดกลาง และนกมีจีโนมขนาดค่อนข้างเล็ก แต่มีการเสนอแนะว่านกสูญเสียจีโนมไปเป็นจำนวนมากในช่วงเปลี่ยนผ่านไปสู่การบิน ก่อนการสูญเสียนี้ การเมทิลเลชั่นของ DNA ช่วยให้จีโนมขยายตัวได้อย่างเหมาะสม[ 32 ]

ในมนุษย์ จีโนมนิวเคลียร์ประกอบด้วยนิวคลีโอไทด์ DNA ประมาณ 3.1 พันล้านตัว แบ่งออกเป็น 24 โมเลกุลเชิงเส้น โดยโมเลกุลที่สั้นที่สุดมีความยาว 45,000,000 นิวคลีโอไทด์ และโมเลกุลที่ยาวที่สุดมีความยาว 248,000,000 นิวคลีโอไทด์ ซึ่งแต่ละโมเลกุลบรรจุอยู่ในโครโมโซมที่แตกต่างกัน[ 47 ]ไม่มีความสัมพันธ์ที่ชัดเจนและสม่ำเสมอระหว่างความซับซ้อนทางสัณฐานวิทยาและขนาดจีโนมในทั้งโปรคาริโอตและยูคาริโอตระดับต่ำ[ 33 ] [ 48 ]ขนาดจีโนมส่วนใหญ่เป็นฟังก์ชันของการขยายและการหดตัวขององค์ประกอบ DNA ที่ซ้ำกัน

เนื่องจากจีโนมมีความซับซ้อนมาก กลยุทธ์การวิจัยอย่างหนึ่งคือการลดจำนวนยีนในจีโนมให้น้อยที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้เพื่อให้สิ่งมีชีวิตนั้นยังคงมีชีวิตอยู่ได้ มีการทดลองเกี่ยวกับจีโนมขั้นต่ำสำหรับสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียว รวมถึงจีโนมขั้นต่ำสำหรับสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ (ดูชีววิทยาการพัฒนา ) งานวิจัยนี้ดำเนินการทั้งในสิ่งมีชีวิตและในคอมพิวเตอร์[ 49 ] [ 50 ]

ความแตกต่างของขนาดจีโนมเนื่องจากองค์ประกอบเคลื่อนย้ายได้

การเปรียบเทียบขนาดของจีโนม

มีความแตกต่างอย่างมากในขนาดของจีโนม โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่กล่าวถึงก่อนหน้านี้ในจีโนมยูคาริโอตหลายเซลล์ ส่วนใหญ่เกิดจากความอุดมสมบูรณ์ที่แตกต่างกันขององค์ประกอบที่เคลื่อนย้ายได้ ซึ่งวิวัฒนาการโดยการสร้างสำเนาใหม่ของตัวเองในโครโมโซม[ 32 ]จีโนมยูคาริโอตมักมีสำเนาขององค์ประกอบเหล่านี้หลายพันชุด ซึ่งส่วนใหญ่ได้รับการกลายพันธุ์ที่ทำให้มีข้อบกพร่อง

การเปลี่ยนแปลงทางพันธุกรรม

เซลล์ทั้งหมดของสิ่งมีชีวิตมีต้นกำเนิดมาจากเซลล์เดียว ดังนั้นจึงคาดว่าจะมีจีโนมที่เหมือนกัน อย่างไรก็ตาม ในบางกรณี ความแตกต่างก็เกิดขึ้น กระบวนการคัดลอก DNA ระหว่างการแบ่งเซลล์และการสัมผัสกับสารก่อกลายพันธุ์ในสิ่งแวดล้อมสามารถส่งผลให้เกิดการกลายพันธุ์ในเซลล์ร่างกายได้ ในบางกรณี การกลายพันธุ์ดังกล่าวทำให้เกิดมะเร็ง เนื่องจากทำให้เซลล์แบ่งตัวเร็วขึ้นและรุกรานเนื้อเยื่อรอบข้าง[ 51 ]ในลิมโฟไซต์บางชนิดในระบบภูมิคุ้มกันของมนุษย์ การรวมตัวของ V(D)Jจะสร้างลำดับจีโนมที่แตกต่างกัน ทำให้แต่ละเซลล์สร้างแอนติบอดีหรือตัวรับเซลล์ T ที่ไม่ซ้ำกัน

ในระหว่างกระบวนการไมโอซิสเซลล์ดิพลอยด์จะแบ่งตัวสองครั้งเพื่อสร้างเซลล์สืบพันธุ์แฮพลอยด์ ในระหว่างกระบวนการนี้ การรวมตัวใหม่จะส่งผลให้เกิดการจัดเรียงสารพันธุกรรมใหม่จากโครโมโซมคู่เหมือน ทำให้แต่ละเซลล์สืบพันธุ์มีจีโนมที่ไม่ซ้ำกัน

การปรับเปลี่ยนจีโนมทั่วทั้งระบบ

การรีโปรแกรมจีโนมทั่วทั้งเซลล์สืบพันธุ์ดั้งเดิม ของหนู เกี่ยวข้องกับการลบการประทับอี พิเจเนติกส์ซึ่งนำไปสู่ ความ สามารถในการสร้างเซลล์ทุกชนิด การรีโปรแกรมได้รับการอำนวยความสะดวกโดยการกำจัดเมทิลของ DNA อย่างแข็งขัน ซึ่งเป็นกระบวนการที่เกี่ยวข้อง กับ เส้นทางการซ่อมแซมการตัดฐาน DNA [ 52 ]เส้นทางนี้ถูกนำมาใช้ในการลบเมทิลเลชันของ CpG (5mC) ในเซลล์สืบพันธุ์ดั้งเดิม การลบ 5mC เกิดขึ้นผ่านการแปลงเป็น5-ไฮดรอกซีเมทิลไซโตซีน (5hmC) ซึ่งขับเคลื่อนโดยเอนไซม์ไดออกซิเจเนสTET1และTET2 ในระดับ สูง[ 53 ]

วิวัฒนาการของจีโนม

จีโนมเป็นมากกว่าผลรวมของยีน ในสิ่งมีชีวิต และมีลักษณะต่างๆ ที่สามารถวัดและศึกษาได้โดยไม่ต้องอ้างอิงถึงรายละเอียดของยีนแต่ละตัวและผลิตภัณฑ์ของยีนเหล่านั้น นักวิจัยเปรียบเทียบลักษณะต่างๆ เช่นคาริโอไทป์ (จำนวนโครโมโซม) ขนาดจีโนมลำดับของยีนความลำเอียงในการใช้โคดอนและปริมาณ GCเพื่อพิจารณาว่ากลไกใดบ้างที่สามารถสร้างความหลากหลายของจีโนมที่มีอยู่ในปัจจุบัน (สำหรับภาพรวมล่าสุด โปรดดู Brown 2002; Saccone and Pesole 2003; Benfey and Protopapas 2004; Gibson and Muse 2004; Reese 2004; Gregory 2005)

การทำซ้ำมีบทบาทสำคัญในการกำหนดรูปร่างของจีโนม การทำซ้ำอาจมีตั้งแต่การขยายการทำซ้ำแบบคู่สั้นๆ ไปจนถึงการ ทำซ้ำกลุ่มยีน และไปจนถึงการทำซ้ำโครโมโซมทั้งหมดหรือแม้แต่จีโนมทั้งหมดการทำซ้ำดังกล่าวอาจเป็นพื้นฐานในการสร้างความแปลกใหม่ทางพันธุกรรม[ 54 ]

การถ่ายโอนยีนในแนวนอนถูกนำมาใช้เพื่ออธิบายว่าเหตุใดจึงมักมีความคล้ายคลึงกันอย่างมากระหว่างส่วนเล็ก ๆ ของจีโนมของสิ่งมีชีวิตสองชนิดที่โดยทั่วไปแล้วมีความสัมพันธ์ห่างไกลกันมาก การถ่ายโอนยีนในแนวนอนดูเหมือนจะเป็นเรื่องปกติในจุลินทรีย์ หลายชนิด นอกจากนี้เซลล์ยูคาริโอตดูเหมือนจะมีการถ่ายโอนสารพันธุกรรมบางส่วนจาก จีโนม คลอโรพลาสต์และ ไมโทคอน เดรียไปยังโครโมโซมนิวเคลียร์ ข้อมูลเชิงประจักษ์ล่าสุดชี้ให้เห็นถึงบทบาทสำคัญของไวรัสและเครือข่าย RNA ย่อยของไวรัสในการเป็นตัวขับเคลื่อนหลักในการสร้างความแปลกใหม่ทางพันธุกรรมและการแก้ไขจีโนมตามธรรมชาติ บริษัทแรกที่ใช้จีโนมิกส์ในการตรวจหาความเสี่ยงคือ Myriad Genetics ซึ่งก่อตั้งโดย Mark Skolnick และ Kevin Kimberlin [ 55 ]

ในนิยาย

ผลงานวรรณกรรมแนววิทยาศาสตร์แฟนตาซีสะท้อนให้เห็นถึงความกังวลเกี่ยวกับการเข้าถึงลำดับจีโนม

นวนิยายเรื่อง Jurassic Parkของไมเคิล คริชตันในปี 1990 และภาพยนตร์ ที่สร้างจากนวนิยายเรื่องนี้ เล่าเรื่องราวของมหาเศรษฐีที่สร้างสวนสนุกไดโนเสาร์โคลนนิ่งบนเกาะห่างไกล ซึ่งส่งผลลัพธ์ที่เลวร้าย นักพันธุศาสตร์สกัดดีเอ็นเอของไดโนเสาร์จากเลือดของยุงโบราณ และเติมเต็มส่วนที่ขาดหายไปด้วยดีเอ็นเอจากสายพันธุ์ปัจจุบันเพื่อสร้างไดโนเสาร์หลายสายพันธุ์ นักทฤษฎีความโกลาหลถูกขอให้แสดงความคิดเห็นเกี่ยวกับความปลอดภัยของการสร้างระบบนิเวศด้วยไดโนเสาร์ และเขาได้เตือนซ้ำแล้วซ้ำเล่าว่าผลลัพธ์ของโครงการจะคาดเดาไม่ได้และควบคุมไม่ได้ในที่สุด คำเตือนเกี่ยวกับอันตรายของการใช้ข้อมูลทางพันธุกรรมเป็นประเด็นสำคัญของหนังสือเล่มนี้

ภาพยนตร์เรื่องGattaca ปี 1997 มีฉากอยู่ในสังคมอนาคตที่จีโนมของเด็กถูกออกแบบเพื่อให้มีลักษณะที่เหมาะสมที่สุดจากพ่อแม่ และมีการบันทึกตัวชี้วัดต่างๆ เช่น ความเสี่ยงต่อโรคหัวใจและอายุขัยที่คาดการณ์ไว้สำหรับแต่ละบุคคลตามจีโนมของพวกเขา ผู้คนที่เกิดนอกเหนือโครงการยูจีนิกส์ ซึ่งรู้จักกันในชื่อ "In-Valids" ต้องเผชิญกับการเลือกปฏิบัติและถูกจำกัดให้ทำงานที่ต่ำต้อย ตัวเอกของภาพยนตร์เรื่องนี้เป็น In-Valid ที่พยายามท้าทายข้อจำกัดทางพันธุกรรมและบรรลุความฝันที่จะทำงานเป็นนักนำทางอวกาศ ภาพยนตร์เรื่องนี้เตือนถึงอนาคตที่ข้อมูลทางจีโนมจะยิ่งทำให้เกิดอคติและความแตกต่างทางชนชั้นอย่างรุนแรงระหว่างผู้ที่สามารถและไม่สามารถจ่ายค่าเลี้ยงดูบุตรที่ได้รับการดัดแปลงพันธุกรรมได้[ 56 ]

ดูเพิ่มเติม

อ่านเพิ่มเติม

  • Benfey P, Protopapas AD (2004). Essentials of Genomics . Prentice Hall.
  • Brown TA (2002). จีโนม 2. อ็อกซ์ ฟอร์ด: สำนักพิมพ์ไบโอส์ ไซเอนซ์. ISBN 978-1-85996-029-5.
  • Gibson G, Muse SV (2004). คู่มือเบื้องต้นเกี่ยวกับวิทยาศาสตร์จีโนม (  ฉบับที่สอง). ซันเดอร์แลนด์, แมสซาชูเซตส์: Sinauer Assoc. ISBN 978-0-87893-234-4.
  • Gregory TR (2005). วิวัฒนาการของจีโนม . Elsevier. ISBN 978-0-12-301463-4.
  • Reece RJ (2004). การวิเคราะห์ยีนและจีโนม . ชิเชสเตอร์: John Wiley & Sons. ISBN 978-0-470-84379-6.
  • Saccone C, Pesole G (2003). คู่มือจีโนมิกส์เชิงเปรียบเทียบ . ชิเชสเตอร์: John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-39128-9.
  • Werner E (ธันวาคม 2003). "ชีววิทยาระบบหลายเซลล์ในคอมพิวเตอร์และจีโนมขั้นต่ำ" Drug Discovery Today . 8 (24): 1121– 27. doi : 10.1016/S1359-6446(03)02918-0 . PMID 14678738 . 
  • UCSC Genome Browser – ดูข้อมูลจีโนมและคำอธิบายประกอบของสิ่งมีชีวิตมากกว่า 80 ชนิด
  • genomecenter.howard.edu (เก็บถาวรเมื่อ 9 สิงหาคม 2013)
  • สร้างโมเลกุลดีเอ็นเอ (เก็บถาวรเมื่อ 9 มิถุนายน 2553)
  • ขนาดจีโนมเปรียบเทียบบางส่วน
  • DNA Interactive: ประวัติศาสตร์ของวิทยาศาสตร์ดีเอ็นเอ
  • ดีเอ็นเอตั้งแต่เริ่มต้น
  • ข้อมูลทั้งหมดเกี่ยวกับโครงการจีโนมมนุษย์ —จาก Genome.gov
  • ฐานข้อมูลขนาดจีโนมสัตว์
  • ฐานข้อมูลขนาดจีโนมพืช (จัดเก็บเมื่อวันที่ 1 กันยายน 2548)
  • GOLD: ฐานข้อมูลจีโนมออนไลน์
  • เครือข่ายข่าวจีโนม
  • ฐานข้อมูลโครงการจีโนม NCBI Entrez
  • คู่มือเบื้องต้นเกี่ยวกับจีโนมของ NCBI
  • GeneCards —ฐานข้อมูลแบบบูรณาการของยีนมนุษย์
  • ข่าวบีบีซี – บทสุดท้ายของจีโนมได้รับการเผยแพร่แล้ว
  • IMG (ระบบจีโนมจุลินทรีย์แบบบูรณาการ) – สำหรับการวิเคราะห์จีโนมโดย DOE-JGI
  • บริการวิเคราะห์ข้อมูลการจัดลำดับดีเอ็นเอรุ่นใหม่จาก GeKnome Technologies — บริการวิเคราะห์ข้อมูลการจัดลำดับดีเอ็นเอรุ่นใหม่สำหรับIlluminaและ454จาก GeKnome Technologies (เก็บถาวรเมื่อวันที่ 3 มีนาคม 2555)

สรุปเนื้อหา

ข้อมูลสำคัญจากบทความ

ข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับ ไม่มีชื่อบทความ

ในสาขา ชีววิทยาโมเลกุล และ พันธุศาสตร์ จี โนม คือข้อมูลทางพันธุกรรมทั้งหมดของสิ่งมีชีวิต ประกอบด้วย ลำดับนิ วคลีโอ ไทด์ของ DNA (หรือ RNA ใน ไวรัส RNA )...

ที่มาของคำ

คำว่า จีโนม ถูกสร้างขึ้นในปี พ.ศ. 2463 โดย Hans Winkler [ 8 ] ศาสตราจารย์ ด้าน พฤกษศาสตร์ ที่ มหาวิทยาลัยฮัมบูร์ก ประเทศเยอรมนี เว็บไซต์ Oxford Dictionaries และ Online Etymology Dictionary แนะนำว่าชื่อนี้เป็นการผสมผสานระหว่างคำว่ายีน และ โครโมโซม [ 9 ] [ 10 ]...

จีโนมนิวเคลียร์

จีโนมของยูคาริโอตนั้นยากต่อการกำหนดมากยิ่งขึ้นไปอีก เนื่องจากเกือบทุกสปีชีส์ของยูคาริโอตมีโครโมโซมในนิวเคลียสบวกกับโมเลกุล DNA เพิ่มเติมใน ไมโทคอนเดรีย นอกจากนี้ สาหร่ายและพืชยังมี DNA ในคลอโรพลาสต์...

ระดับพลอยดี

ยูคาริโอตส่วนใหญ่เป็น ดิพลอยด์ หมายความว่ามีโครโมโซมสองชุดในนิวเคลียส แต่ 'จีโนม' หมายถึงโครโมโซมเพียงชุดเดียวเท่านั้น ยูคาริโอตบางชนิดมีโครโมโซมเพศที่แตกต่างกัน เช่น โครโมโซม X และ Y ของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม...