Скільки генів потрібно, щоб створити людину?Прості будівельні блоки нейронів разом створюють величезну складність. UCI Research/Арді Рахман, CC BY-NC

Ми, люди, любимо вважати себе на вершині купи порівняно з усіма іншими живими істотами на нашій планеті. За три мільярди років життя еволюціонувало від простих одноклітинних істот до багатоклітинних рослин та тварин усіх форм і розмірів та здібностей. На додаток до зростаючої екологічної складності, за всю історію життя ми також спостерігали еволюцію інтелекту, складних суспільств та технологічних винаходів, доки сьогодні не прибудемо до людей, які літають по всьому світу на висоті 35,000 футів, обговорюючи фільм під час польоту.

Природно вважати історію життя прогресуючою від простого до складногоі очікувати, що це відобразиться у збільшенні кількості генів. Ми вважаємо себе провідними з нашим чудовим інтелектом та глобальним пануванням; очікування полягало в тому, що оскільки ми найскладніша істота, у нас буде найскладніший набір генів.

Це припущення здається логічним, але чим більше дослідників з’ясовують різні геноми, тим більш недосконалим воно виглядає. Приблизно півстоліття тому приблизна кількість людських генів складала мільйони. Сьогодні нас менше 20,000 тисяч. Тепер ми знаємо, наприклад, що банани зі своїми Гени 30,000, мають на 50 відсотків більше генів, ніж ми.

Оскільки дослідники розробляють нові способи підрахунку не лише генів, які є в організмі, а й тих, які у нього є, які є зайвими, існує чітка збіжність між кількістю генів у тому, що ми завжди вважали найпростішими формами життя - вірусами - і найскладніший - ми. Настав час переглянути питання про те, як складність організму відображається в його геномі.


Innersele підписатися графіка


номери генівЗбіжна приблизна кількість генів у людини проти гігантського вірусу. Лінія людини показує середню оцінку з пунктиром, що представляє приблизну кількість необхідних генів. Цифри, наведені для вірусів, стосуються MS2 (1976), ВІЛ (1985), гігантських вірусів з 2004 року та середньої кількості Т4 у 1990 -х роках. Шон Ні, CC BY

Підрахунок генів

Ми можемо розглядати всі наші гени разом як рецепти з кулінарної книги для нас. Вони написані буквами основ ДНК - скорочено ACGT. Гени дають вказівки про те, як і коли збирати білки, з яких ви виготовлені і які виконують усі життєві функції у вашому тілі. А. типовий ген вимагає близько 1000 букв. Разом із навколишнім середовищем та досвідом, гени відповідають за те, ким ми є - тому цікаво дізнатися, скільки генів складає цілий організм.

Коли ми говоримо про кількість генів, ми можемо відобразити фактичну кількість вірусів, але лише оцінки для людей з вагомої причини. Один виклик підрахунок генів у еукаріот - які включають нас, банани та дріжджі, такі як Candida, - це те, що наші гени не вишикувалися, як качки поспіль.

Наші генетичні рецепти влаштовані так, ніби всі сторінки кулінарної книги були вирвані і змішані з трьома мільярдами інших букв, приблизно 50 відсотків з яких насправді описують інактивовані, мертві віруси. Тому в еукаріотів важко підрахувати гени, які мають життєво важливі функції, і відокремити їх від сторонніх.

На відміну від цього, підрахунок генів у вірусів - і бактерій, які можуть бути 10,000 гени - це відносно легко. Це пояснюється тим, що сировина генів - нуклеїнові кислоти - відносно дорога для крихітних істот, тому існує сильний вибір для видалення непотрібних послідовностей. Насправді, справжня проблема для вірусів - це їх виявлення. Вражає, що все основні відкриття вірусів, включаючи ВІЛ, були зроблені не шляхом секвенування взагалі, а за старими методами, такими як візуальне збільшення та перегляд їх морфології. Постійні досягнення в молекулярних технологіях навчили нас чудовому різноманітність віросфери, але може лише допомогти нам підрахувати гени того, про що ми вже знаємо.

Процвітає ще менше

Кількість генів, які нам дійсно потрібні для здорового життя, ймовірно, навіть менша, ніж нинішня оцінка 20,000 XNUMX у всьому нашому геномі. Один з авторів нещодавнього дослідження обґрунтовано екстраполював, що підрахунок необхідних генів для людини може бути набагато нижче.

Ці дослідники розглянули тисячі здорових дорослих, шукаючи природні «нокаути», у яких відсутні функції окремих генів. Усі наші гени надходять у двох примірниках - по одному від кожного з батьків. Зазвичай одна активна копія може компенсувати, якщо інша неактивна, і людей з нею важко знайти обидва копії інактивовані, тому що інактивовані гени природно рідкісні.

Гени нокауту досить легко вивчити з лабораторними щурами, використовуючи сучасні методи генної інженерії, щоб інактивувати обидві копії певних генів на наш вибір або навіть видалити їх взагалі, і подивитися, що станеться. Але людські дослідження вимагають від людей, які живуть у спільнотах із медичними технологіями 21 століття та відомими родоводами, придатними для необхідного генетичного та статистичного аналізу. Ісландці - одна корисна річ населення, а британо-пакистанські люди цього дослідження-ще одне.

Це дослідження виявило понад 700 генів, які можна вибити без явних наслідків для здоров'я. Наприклад, одне дивовижне відкриття полягало в тому, що ген PRDM9, який відіграє вирішальну роль у фертильності мишей, також може бути вибитий у людей без шкідливих наслідків.

Екстраполяція аналізу за межі дослідження людських нокаутів приводить до оцінки що для побудови здорової людини насправді потрібні лише 3,000 людських генів. Це на тому ж етапі, що і кількість генів у "гігантські віруси». Пандовірус, видобутий із сибірського льоду 30,000 2014 років у XNUMX році, є найбільшим відомим на сьогодні вірусом має 2,500 генів.

Отже, які гени нам потрібні? Ми навіть не знаємо, що насправді робить чверть генів людини, і це просунуто порівняно з нашими знаннями про інші види.

Складність виникає з дуже простого

Але чи буде кінцева кількість людських генів 20,000 3,000 чи XNUMX XNUMX чи щось інше, справа в тому, що коли йдеться про розуміння складності, розмір насправді не має значення. Ми знаємо це давно принаймні у двох контекстах, а третій тільки починаємо розуміти.

Алан Тьюрінг, математик і Вимикач коду Другої світової війни встановив теорію багатоклітинного розвитку. Він вивчав прості математичні моделі, які зараз називаються «реакційно-дифузійними» процесами, в яких невелика кількість хімічних речовин-всього два у моделі Тьюринга-дифундують і реагують між собою. Ці моделі мають прості правила, що регулюють їх реакцію може надійно генерувати дуже складні, але послідовні структури які легко побачити. Тож біологічні структури рослин і тварин не потребують складного програмування.

Так само очевидно, що 100 трильйонів з'єднань в людському мозку, які насправді роблять нас такими, якими ми є, неможливо генетично запрограмувати індивідуально. недавні прориви в галузі штучного інтелекту базуються на нейронні мережі; це комп’ютерні моделі мозку, в яких прості елементи - відповідні нейронам - встановлюють власні зв’язки шляхом взаємодії зі світом. результати були вражаючими у таких прикладних сферах, як розпізнавання почерку та медична діагностика, і Google запросила громадськість грати в ігри з та спостерігати за мріями його ШІ.

Мікроби виходять за межі основних

Тож зрозуміло, що одна клітинка не повинна бути дуже складною, щоб велика їх кількість давала дуже складні результати. Отже, не слід дивуватись тому, що кількість людських генів може бути такого ж розміру, як і у одноклітинних мікробів, таких як віруси та бактерії.

Несподіванкою стає навпаки - маленькі мікроби можуть мати багате, складне життя. Існує зростаюча галузь дослідження, яка отримала назву «соціомікробіологія” - це досліджує надзвичайно складне суспільне життя мікробів, які стоять у порівнянні з нашим. Мої власні внески ці сфери стосуються надання вірусам належного місця в цій невидимій мильній опері.

За останнє десятиліття нам стало відомо, що мікроби проводять понад 90 відсотків свого життя як біоплівки, яку найкраще можна розглядати як біологічну тканину. Дійсно, багато біоплівок мають системи електричний зв'язок між клітинами, як тканина мозку, що робить їх моделлю для вивчення розладів мозку, таких як мігрень та епілепсія.

Біофільми також можна розглядати як «міста мікробів”, Та інтеграцію соціомікробіологія і медичні дослідження досягаючи швидкого прогресу у багатьох областях, таких як лікування муковісцидозу. суспільне життя мікробів у цих містах - разом із співпрацею, конфліктом, правдою, брехнею і навіть самогубство - швидко стає основним напрямом вивчення еволюційної біології в 21 столітті.

Так само, як біологія людини стає явно менш видатною, ніж ми думали, світ мікробів стає набагато цікавішим. І кількість генів, схоже, не має до цього відношення.

про автора

Шон Ні, професор -дослідник екосистемної науки та менеджменту, Університет штату Пенсільванія

Ця стаття була спочатку опублікована на Бесіда. Читати оригінал статті.

Схожі книги:

at InnerSelf Market і Amazon