Genom
Wikipedia
Genom, inom genetiken är beteckningen på en organisms hela uppsättning av gener, d.v.s. den fullständiga DNA-sekvensen i en uppsättning av organismens olika kromosomer (eller vad gäller vissa virus, RNA-sekvens). Hos människan och andra högre organismer motsvarar detta det genetiska materialet i alla celler utom könscellerna. Studiet av genom benämns genomik.
I de flesta högre organismer finns genetiskt material även utanför kromosomerna, till exempel i mitokondrierna hos människan och andra eukaryoter och de gröna växternas kloroplaster. Hela genomet inklusive sådant DNA som inte finns i kromosomerna benämnes cellulärt genom, medan termen genom i sig självt oftast enbart syftar på det genetiska material som finns i kromosomerna. Studier om besläktade organismerns genom kallas ofta genomik, för att skilja det från genetiken som oftast behandlar enskilda geners verkan eller grupper av gener.
Genomet hos ett antal organismer från bakterier till fiskar och människor har kartlagts. Arbetet med att få fram den fullständiga DNA-sekvensen för människan slutördes i Human Genome Project i slutet av 1990-talet.
Följande tabell visar en jämförelse av storleken av genomet mätt i antal baspar hos ett antal organismer:
| Organism | Genomstorlek (antal baspar) |
|---|---|
| lambda-phag | 5·104 |
| Escherichia coli | 4·106 |
| Jäst | 2·107 |
| Caenorhabditis elegans | 8·107 |
| Drosophila melanogaster | 2·108 |
| Människa | 3·109 |
Nyligen lyckades forskarna kartlägga hela människans genom. Det vill säga, ta reda på den exakta ordningsföljden av A, T, G och C i hela människans tre miljarder bokstäver stora arvsmassa.
Den dag detta arbete slutfördes var historisk på samma sätt som den dag den sista stora vita fläcken på världskartan försvann. De ökade kunskaperna i geografi fick enorma konsekvenser. Varken ekonomi, politik eller kultur förblev sig likt efter de stora upptäcktsfärderna.
På samma sätt kommer följderna av vår nya kunskap om våra arvsanlag att bli dramatiska. Säkerligen kommer vi att se många nya metoder att förutsäga och bota sjukdomar.
Men de största förändringar kommer troligen att bli sådana, som vi inte alls kan förutsäga idag. På samma sätt som Christoffer Columbus inte hade en aning om hur hans resa skulle förändra världen, då han gav sig ut på jakt efter Indien, den där dagen 1492.
Genforskningen var tidigare en vetenskap som studerade delar. Man hittade ett protein, som man trodde hade en viktig roll. Och studerade detta protein i detalj. Man hittade dess gen och gjorde en massa experiment med den. Genom att studera delarna fick man mängder med fantastisk kunskap, om hur molekylerna i vår kropp fungerar. Men kunskapen om delarna skymde ibland förståelsen för helheten.
Många gånger hade forskare med provrörsexperiment hittat mängder med spännande egenskaper hos en gen och dess protein. Men när de sedan skapade en genmodifierad mus, där denna gen slagits ut, fungerade musen ändå utmärkt och var vid god hälsa. Musen klarade sig uppenbarligen bra utan detta protein – trots att det verkade vara så viktigt då man studerade det lösryckt ur sitt sammanhang.
Därför har den moderna genforskningen börjat studera hela uppsättningen av gener och proteiner hos olika arter. Man vill försöka få en helhetsbild av hur olika levande varelser fungerar på molekylernas nivå. Vad varje protein gör och hur proteinerna samarbetar med varandra. Man måste ta reda på vad varje gen har för uppgift
Att bestämma ordningsföljden av DNA-bokstäver i hela människans arvsmassa är bara det första steget i den moderna genomforskningen. För att all den information man skaffat sig ska få någon mening måste man också ta reda på vad alla de olika proteiner gör, som beskrivs av de nya gener man hittat.
Sekvensjämförelser: Det första en forskare då gör, är att låta en dator jämföra den nya genens sekvens med alla andra kända DNA-sekvenser. Om genen påminner mycket om en tidigare känd gen, är det troligt att de proteiner generna beskriver har liknande funktioner.
Slå ut genen: Arvsanlagen hos olika livsformer påminner mycket om varandra. Människans DNA är till över 98 procent identiskt med schimpansens. De flesta gener som finns hos möss finns också hos människor. Man kan därför slå ut en gen hos en mus eller bananfluga. Se vad som händer med djuret. Och därigenom få information om vad samma gen har för roll hos oss. Om en mus exempelvis blir döv av att en gen slås ut, är dess protein uppenbarligen inblandat i hörsel.
Studera var i kroppen proteinet finns: Man kan även få ledtrådar om vilka roller olika proteiner har genom att studera i vilka delar av kroppen de förekommer och i vilka typer av celler. Om en grupp gener används i precis samma kombination av celler och organ, är det rimligt att tänka sig att dessa gener kan vara inblandade i samma typ av uppgifter.
Jämföra olika arter: Eftersom man nu i snabb takt bestämmer hela DNA-sekvensen även för ett antal andra djur och växter, kan man dessutom få idéer om vilka roller olika gener kan ha bara genom att studera i vilka levande varelser dessa gener finns och i vilka de inte förekommer.
Sekvensbestämma korta DNA-bitar
Här beskrivs hur man bestämmer ordningsföljden av DNA-bokstäver på en några hundra bokstäver lång DNA-bit. Den som tycker att förklaringen är tung kan klicka vidare direkt till nästa avsnitt.
• Det måste finnas väldigt många exemplar av endast ena strängen av DNA-molekylen i ett provrör. • Till dessa provrör hälls lösa DNA-byggstenar av alla fyra sorter. Inmärkta med ett radioaktivt ämne. • Till varje provrör tillsätts också en liten mängd av en modifierad form av DNA-byggstenar. Som kan fogas in i en DNA-kedja. Men som det inte går att fästa någon ny DNA-byggsten vid. Då en sådan modifierad byggsten fogas in kan därför inte kedjan förlängas mer. I varje provrör tillsätts en liten mängd av en sådan "stopp-byggsten", så att ett provrör får stopp-A, ett annat stopp-T och så vidare. • DNA-kopieringsenzymet tillsätts varje provrör och börjar arbeta. • Låt oss nu tänka på det provrör som innehåller stopp-T. Varje gång ett T ska fogas till den växande DNA-kedjan kan antingen ett vanligt T, som det finns mycket av, fogas in. Kedjan fortsätter då att växa. Eller så infogas ett stopp-T, och kedjan slutar växa. Eftersom vi hade många enkelsträngade kedjor, kommer det på varje plats, där det borde fogas in ett T, vara några kedjor som får ett stopp-T. Så att kedjan slutar växa. Till slut innehåller provröret ett stort antal nya DNA-kedjor av olika längd. Där kedjornas längd visar hur långt in på DNA-kedjan de olika T-na befinner sig. • Motsvarande sak har hänt i de andra provrören, som innehåller var sin av de tre andra stopp-bokstäverna. • Om man sedan jämför storleken på de olika DNA-kedjor, som avslutats med de olika baserna kan man räkna ut i vilken ordning de förekommer på den ursprungliga DNA-molekylen.
På detta sätt kan man bestämma sekvensen hos DNA-bitar som är max 500 baspar långa. Men för att kartlägga hela genom måste man kunna pussla ihop de DNA-bitar man sekvensbestämt i rätt ordning. Det sker med något som kallas shot-gun metoden. Läs om den på nästa sida.
Pussla ihop korta sekvenser med shotgun-metoden
För att bestämma sekvensen på längre DNA-molekyler måste molekylerna delas upp i mindre bitar som sekvensbestäms var för sig. Är DNA-molekylen inte längre än några miljoner baspar lång, kan detta göras med något som kallas shotgun-metoden.
Man tar då många exemplar av det genom som ska undersökas. Bryter sönder det i överlappande bitar som är ungefär 500 baspar långa. Sedan bestämmer man DNA-sekvensen på ett stort antal bitar. Tillräckligt stort antal för att man ska kunna vara säker på att varje del av genomet funnits på en bit som sekvensbestämts.
Sedan matar man in alla DNA-sekvenserna i en dator och låter datorn hitta de ställen där sekvenserna överlappar varandra. På detta sätt pusslas de korta DNA-sekvenser, som lästs, ihop till den sekvensen hos den långa DNA-molekyl som skulle analyseras.
Denna metod fungerar för DNA-molekyler på några miljoner baspar och har använts för att bestämma DNA-sekvensen hos en rad bakterier, vars arvsanlag ofta har just den storleken. Men tekniken är inte tillräcklig för att kunna sekvensbestämma hela djurs eller växters genomet, som ofta består av miljarder DNA-bokstäver.
För att komma förbi dessa problem använder man antingen genkartor. Eller en metod som kallas modifierad shot-gun metod.
Pussla ihop långa sekvenser med genkartor
För att kunna sekvensbestämma hela människans DNA formades ett världsomfattande samarbete mellan forskare: Det humana genomprojektet (HUGO-projektet).
Dessa forskare bestämde sig på ett tidigt stadium för att sekvensbestämma människans kromosomer en i taget. För att kunna orientera sig på kromosomerna började de med att skapa kartor över dem. Kända gener, hypervariabla platser och andra ställen prickades in. Till slut hade man fått kartor med mindre än en miljon bokstäver mellan de olika ställen, som var markerade.
Därefter tog man ett stort antal av den kromosom man hade en karta över. Och slog dem i mindre bitar, på någon miljon bokstäver. Man isolerade ett antal av dessa DNA-bitar. Och undersökte om några av de ställen som var markerade på kartan fanns där.
På det sättet kunde man plocka ut ett litet antal DNA-bitar, som tillsammans täckte hela kromosomen. Dessa sekvensbestämdes var och en för sig med shot-gun metoden. Med hjälp av kartorna kunde sedan dessa runt en miljon bokstäver långa DNA-sekvenser fogas ihop med varandra på rätt sätt.
Huvuddelen av den tid HUGO-projektet varade, gick åt att skapa genkartor som var tillräckligt detaljerade. Själva arbetet med den mekaniska sekvenseringen av DNA tog bara en liten andel av tiden.
I slutskedet utmanades det officiella HUGO-projektet av ett privat företag. Som försökte genomföra själva sekvenserandet och hoppusslandet av bitar på ett alternativt sätt. Som kallas modifierad shotgun-metod.
Den modifierade shotgun-metoden
Detta ”officiella” HUGO-projekt blev i slutfasen av sitt arbete utmanat av ett privat företag, Celera, som hade föresatt sig att komma först med att bestämma människans DNA-sekvens.
Detta företag hade utvecklat en ny metod för att pussla ihop korta sekvenser med varandra. De tog ett stort antal människoceller, renade fram DNA från dem och slog sönder DNAt i kortare delar. De tog sedan ett stort antal bitar som var ungefär 2 000 bokstäver långa, och ett något mindre antal bitar som var ungefär 10 000 bokstäver långa. De mätte hur långa var och en av dessa bitar var, och bestämde sekvensen hos de 500 bokstäverna i början och i slutet av biten.
Därigenom fick man kunskap om ett stort antal DNA-sekvenser, ungefär 500 bokstäver långa, som hängde ihop två och två. Dessutom kände man till avståndet mellan dem. Med hjälp av denna information blev det möjligt för datorer att foga ihop sekvenserna från hela människans genom med någorlunda god säkerhet.
De sekvenser som på detta sätt växte fram kontrollerades sedan mot de kromosomkartor, som det officiella HUGO-projektet tagit fram. Därmed kunde misstag och felaktigheter rättas till.
Denna så kallade modifierade shotgun-metod visade sig vara så framgångsrik att även det officiella HUGO-projektet gick över till den i slutet av sitt arbete.
