Em formação

Por que os genomas dos humanos são 99,5% iguais?


A sequência de DNA humana é considerada aproximadamente 99,5% igual. Pelo que eu entendi, isso significa que se eu fosse até você e comparasse nosso DNA, a sequência de pares de bases seria 99,5% a mesma.

Minha pergunta é: por que há apenas 0,5% de variação em nosso DNA? Posso pensar em duas razões:

  1. Por alguma razão, os outros 99,5% (aproximadamente) estão travados no lugar. Essas seções, se alteradas, resultam em não sermos "humanos" ou simplesmente contraímos algum tipo de doença genética e, portanto, não são mutações muito boas.

  2. Não houve tempo suficiente. Lembro-me de ter ouvido que todos os humanos têm um ancestral comum há muito tempo. Se for esse o caso, talvez com o tempo apenas cerca de 0,5% do nosso DNA tenha tido tempo para sofrer mutação aleatória, e se esperarmos muito, muito, muito tempo, mais e mais do nosso DNA sofrerá mutação e nos tornaremos 'menos parecidos com cada um de outros'.

Ou estou interpretando mal a situação? Eu não fiz biologia no colégio, então as respostas devem ser simples, por favor.


Em um genoma de 3 bilhões de pares de bases, uma diferença de 0,5% resulta em uma diferença de 15 milhões de bases. Quando uma única mudança de base pode mudar a sequência de aminoácidos de uma proteína, isso pode somar uma enorme diversidade, que é o que vemos em quase 8 bilhões de humanos no planeta, e a mesmice de 99,5% é o motivo de estarmos tão intimamente ligados como uma espécie.

Como explicar a falta de diversidade?

Nada faz sentido na biologia, exceto à luz da evolução.

A citação acima foi feita pelo biólogo evolucionista Theodosius Dobzhansky. O que isso significa basicamente é que você precisa examinar sua pergunta do ponto de vista da evolução e da seleção natural.

A primeira coisa que você precisa observar é que há evidências que sugerem que os humanos modernos passaram por um gargalo populacional. O que isso significa é que, em certo ponto de nossa história, havia muito poucos membros individuais de nossa espécie vivos e isso pode ser responsável pela "falta" de diversidade que vemos em nosso genoma. O número citado é tão baixo quanto 10.000 indivíduos que sobreviveram após a supererupção do vulcão Toba, cerca de 75 mil anos atrás.

Isso significa que restavam muito poucos pares de acasalamento, o que reduziu significativamente a diversidade genética de nossa espécie. Isso é conhecido como Efeito Fundador.

Efeitos fundadores

Um efeito fundador ocorre quando uma nova colônia é iniciada por alguns membros da população original. Este pequeno tamanho populacional significa que a colônia pode ter:

  • variação genética reduzida da população original.
  • uma amostra não aleatória dos genes da população original.

Portanto, se usarmos uma média de 20 a 25 anos por geração humana, estaremos observando apenas cerca de 3.000 a 4.000 gerações, já que talvez houvesse apenas alguns milhares de casais reprodutores de humanos. Compare isso com bactérias que podem passar de três a quatro mil gerações em menos de uma semana, e você pode começar a ter uma ideia de por que há tanta homologia de sequência (mesmice) no genoma humano. Consulte Gargalos e efeitos do fundador no site Understanding Evolution da UC Berkley para obter mais informações.

Você também deve compreender que quaisquer alterações deletérias estarão sob forte pressão seletiva. Isso pode não significar que o organismo não sobreviva para se reproduzir, mas pode significar apenas que, em média, eles podem ter menos sucesso; menos filhos que têm menos filhos em comparação com o resto da população. Em algum ponto, essa linhagem pode se extinguir, seja porque a mudança torna muito difícil a sobrevivência, ou porque os descendentes fazem parceiros menos desejáveis ​​e, eventualmente, não têm a oportunidade de se reproduzir.

Quaisquer alterações que interrompam um gene vital provavelmente serão fatais e levarão ao aborto espontâneo ou se a mutação for sustentada em um espermatozóide, então a incapacidade desse espermatozoide de sobreviver para fertilizar um óvulo, então o esperma que sofreu uma forte mutação pode nunca chegar ao ovo. O número médio de espermatozoides em uma única ejaculação humana é de cerca de 250 milhões. E, no entanto, apenas um único espermatozóide consegue fertilizar o óvulo, e isso presumindo que ocorra um evento de fertilização. Existe uma quantidade incrível de seleção que ocorre no ato da procriação, mesmo antes de chegarmos ao desenvolvimento.

Por que os números de 99,5% a 0,5% podem ser representativos da população como um todo.

Outra coisa que você vai querer pensar é como o número de 0,5% a 99,5% foi obtido. O referenciado na pergunta está vinculado a um artigo da Wikipedia Human Genetic Variation. A referência fornecida para isso foi de um artigo do New York Times sobre J. Craig Venter, In the Genome Race, the Sequel Is Personal - Wade, Nicholas. 4 de setembro de 2007. A citação que é referência na Wikipedia é:

Os biólogos estimaram que dois indivíduos seriam idênticos em 99,9% de seu DNA, mas o número real agora surge com muito menos, cerca de 99,5%, disse Scherer.

O valor de 0,5% é fornecido como uma citação de Stephen W. Scherer, que foi co-autor deste artigo, The Diploid Genome Sequence of an Individual Human, Levy, et.al. PLoS Biology; 4 de setembro de 2007. DOI: 10.1371 / journal.pbio.0050254. Nesse documento, a seguinte citação é encontrada:

A inclusão da variação genética de inserção e exclusão em nossas estimativas de diferença intercromossômica revela que existe apenas 99,5% de similaridade entre as duas cópias cromossômicas de um indivíduo e que a variação genética entre dois indivíduos é até cinco vezes maior do que o estimado anteriormente.
- The Diploid Genome Sequence of an Individual Human, Levy, et.al. PLoS Biology; 4 de setembro de 2007.
DOI: 10.1371 / journal.pbio.0050254

Portanto, no mínimo, a declaração foi feita em um artigo revisado por pares. No entanto, existem alguns problemas com isso.

O primeiro é o método do papel. Ele olha para um único genoma humano, o do Dr. Venter, e é usado para chegar à conclusão de 0,5% de diferença entre quaisquer dois indivíduos. E a comparação é feita com base na análise das diferenças entre os cromossomos maternos do Dr. Venter e os cromossomos paternos. Vejamos quais podem ser os problemas aqui:

  • É um grande salto de fé estatística presumir que um único genoma é representativo dos quase 8 bilhões de genomas que existem.
  • A genealogia do Dr. Venter é inglesa em ambas as linhagens parentais. Devemos lembrar que havia outro gargalo populacional na Europa da Idade Média, causado por surtos de cólera e peste negra. Esse fato pode implicar que as linhagens do Dr. Venter sejam geneticamente próximas e que, se sua linhagem fosse mais diversa, digamos Indígena da Oceania e Inglês, eles podem ter encontrado uma diferença percentual muito maior entre os cromossomos maternos e paternos.

A linhagem de três gerações do doador é mostrada na Figura 1A. O doador tem três irmãos e um filho biológico, seu pai morreu aos 59 anos de parada cardíaca súbita. Existem casos documentados de familiares com doenças crônicas, incluindo hipertensão e câncer de ovário e de pele. De acordo com o registro genealógico, os ancestrais do doador podem ser rastreados até 1821 (paternos) e 1700 (maternos) na Inglaterra. A genotipagem e a análise de cluster de 750 loci SNP exclusivos descobertos por meio deste projeto confirmam que o doador é de fato 99,5% semelhante a indivíduos de ascendência europeia (Figura 1B), consistente com autorrelato.
- The Diploid Genome Sequence of an Individual Human, Levy, et.al. PLoS Biology; 4 de setembro de 2007.
DOI: 10.1371 / journal.pbio.0050254

  • Dr. Venter é homem. O cromossomo Y era problemático para sequenciar, e você não pode realmente fazer uma comparação entre ele e o cromossomo X. Como seria o genoma de uma mulher?

O cromossomo Y é 59% coberto pelo mapeamento um-para-um devido às dificuldades ao produzir a comparação entre cromossomos ricos em repetição. Além disso, o cromossomo Y é mais mal coberto por causa das dificuldades na montagem de regiões complexas com profundidade de cobertura de sequenciamento apenas metade daquela da porção autossômica do genoma. A cobertura do cromossomo X com estruturas HuRef é de 95,2%, o que é típico do nível de cobertura de autossomos (média de 98,3% usando execuções). No entanto, está claro que o cromossomo X apresenta mais lacunas, conforme evidenciado pela cobertura com correspondências (89,4%) em comparação com a cobertura média de autossomos com correspondências (97,1%). Os efeitos gerais da cobertura de sequência inferior nos cromossomos X e Y são claramente evidentes como um aumento acentuado no número de lacunas por unidade de comprimento e andaimes mais curtos em comparação com os autossomos (Figura 3). A similaridade entre os cromossomos sexuais é outra fonte de dificuldades de montagem e mapeamento. Por exemplo, há um andaime de 1,5 Mb que mapeia igualmente bem para regiões idênticas dos cromossomos X e Y e, portanto, não pode ser mapeado exclusivamente para nenhum deles (consulte Materiais e Métodos e Figura 3). A partir de nossos dados de mapeamento um a um, também somos capazes de detectar o enriquecimento de grandes duplicações segmentares 10 nos cromossomos 9, 16 e 22, resultando em cobertura reduzida com base nas dificuldades de montagem e mapeamento (Tabela S3).
- The Diploid Genome Sequence of an Individual Human, Levy, et.al. PLoS Biology; 4 de setembro de 2007.
DOI: 10.1371 / journal.pbio.0050254

Há outra coisa que você precisa lembrar e é a história do Projeto Genoma Humano. O Dr. Venter desenvolveu um novo método de sequenciamento e se tornou um concorrente comercial do projeto International Human Genome Sequencing Consortium. Enquanto o projeto International Human Genome Sequencing Consortium superou a iniciativa do Dr. Venter (8), é abordagem, usar um amálgama do DNA de muitos doadores, alguns dos quais tiveram seu DNA incluído e outros não, para preservar o anonimato, Dr. Venter contornou isso realizando o sequenciamento em seu próprio DNA. Quando sua equipe foi derrotada pelo Consórcio Internacional de Sequenciamento do Genoma Humano, ele se dobrou, investiu mais tempo e esforço e elaborou a sequência apresentada neste artigo, que teve um grau de resolução maior do que os esforços anteriores. O artigo está defendendo o valor de sua técnica em relação às técnicas usadas pelo International Human Genome Sequencing Consortium e está tentando fazer uma afirmação da superioridade de seu método. Os dados apresentados são provavelmente factuais, mas por causa dessa história, você deve olhar o artigo, os métodos e os motivos por trás dele.

Passaram-se apenas 15,5 anos desde que tivemos um esboço completo de um Projeto do Genoma Humano produzido pelo Consórcio Internacional de Sequenciamento do Genoma Humano. Para sequenciar esse genoma, foram retiradas amostras de algumas centenas de indivíduos. Pequenos trechos do DNA foram sequenciados e, em seguida, todas essas peças foram colocadas juntas no computador. Isso significa que muitas médias aconteceram. Portanto, por padrão, foi escolhida a base mais prevalente na população de voluntários em cada posição. Isso significa que deve ser representativo para o resto da população também.

Quando fazemos afirmações sobre comparações em conjuntos de dados tão grandes quanto o genoma humano, na maioria das vezes estamos olhando para pequenos subconjuntos conhecidos do genoma, e estamos extrapolando por meio de métodos estatísticos baseados nesse fato. Uma coisa que você aprende ao ler artigos científicos, e não apenas artigos de notícias científicas, é que você sempre precisa olhar seus materiais e métodos para determinar como eles chegaram aos dados e aos números das manchetes. Costuma-se dizer que temos apenas uma diferença de 1,5% entre humanos e chimpanzés; no entanto, quando você olha para esses artigos, as comparações foram feitas apenas em áreas dos genomas que se alinhavam bem. Isso não quer dizer que não haja um grau notável de semelhança entre nós e nosso parente evolucionário vivo mais próximo, é apenas que a história é mais do que o título.

Além disso, não temos muitos genomas completos sequenciados para comparar uns aos outros, como uma porcentagem dos 8 bilhões de pessoas vivas hoje. Embora tenhamos representações da maioria da vasta maioria dos grupos étnicos identificados, podemos estar faltando famílias com novas linhagens.

Outra coisa que você precisa pensar é que muitas das áreas do genoma humano são repetições e elementos estruturais que não codificam para genes de expressão de genes afetados. Coisas como telômeros, que protegem as extremidades dos cromossomos, e centrômeros, que são os pontos de ligação nos cromossomos que garantem que sejam distribuídos adequadamente em células recém-divididas. Esses elementos tendem a permanecer os mesmos porque as proteínas que se ligam a eles requerem essa especificidade de sequência para funcionar adequadamente, então essas são regiões onde o DNA de quase todos será o mesmo, e não apenas entre os humanos. Esses elementos geralmente são muito semelhantes na maioria dos vertebrados.

Também precisamos considerar RNAs estruturais. Essas moléculas têm funções dentro da célula que requerem que as sequências sejam altamente conservadas (inalteradas). Os RNAs ribossômicos, os RNAs de transferência e os pequenos RNAs nucleares dependem de sua sequência específica para se dobrar adequadamente a fim de realizar sua tarefa na célula. Uma única mudança de base pode alterar o dobramento desses elementos e, como resultado, eles perderão sua função, o que significa que essas células não serão capazes de produzir proteínas adequadamente, o que significa que as células morrerão. Se isso estiver acontecendo nas células germinativas, elas não estarão envolvidas na fertilização, portanto, quaisquer mutações serão transmitidas.

Eu poderia continuar e continuar, mas a conclusão é que não é surpreendente que haja muito pouca diversidade de sequência em bases percentuais dentro da espécie humana, mas há muitas advertências para esse fato também.

Editar: Edições significativas para adicionar informações relevantes e referenciadas para fazer backup da resposta.


Semelhanças genéticas dentro e entre as populações humanas

A proporção da variação genética humana devido às diferenças entre as populações é modesta, e os indivíduos de diferentes populações podem ser geneticamente mais semelhantes do que os indivíduos da mesma população. No entanto, dados genéticos suficientes podem permitir a classificação precisa de indivíduos em populações. Ambos os resultados podem ser obtidos a partir do mesmo conjunto de dados, usando o mesmo número de loci polimórficos. Este artigo explica por quê. Nossa análise se concentra na frequência, ω, com a qual um par de indivíduos aleatórios de duas populações diferentes é geneticamente mais semelhante do que um par de indivíduos selecionados aleatoriamente de qualquer população única. Comparamos ω com as taxas de erro de vários métodos de classificação, usando conjuntos de dados que variam em número de loci, frequência média de alelos, populações amostradas e estratégia de averiguação de polimorfismo. Demonstramos que os métodos de classificação alcançam maior poder discriminatório do que ω devido ao uso de propriedades agregadas de populações. O número de loci analisados ​​é a variável mais crítica: com 100 polimorfismos, a classificação precisa é possível, mas ω permanece considerável, mesmo quando se usa populações tão distintas como africanos subsaarianos e europeus. Portanto, pode-se esperar que fenótipos controlados por uma dúzia ou menos de loci apresentem sobreposição substancial entre as populações humanas. Isso fornece justificativa empírica para cautela ao usar rótulos de população em ambientes biomédicos, com amplas implicações para a medicina personalizada, farmacogenética e o significado de raça.

DISCUSSÕES sobre as diferenças genéticas entre as principais populações humanas há muito tempo são dominadas por dois fatos: (a) Essas diferenças são responsáveis ​​por apenas uma pequena fração da variância nas frequências dos alelos, mas, ainda assim, (b) as estatísticas multilocus atribuem a maioria dos indivíduos à população correta. Isso é amplamente entendido como reflexo do aumento do poder discriminatório das estatísticas multilocus. Ainda B amshad et al. (2004) mostraram, usando estatísticas multilocus e cerca de 400 loci polimórficos, que (c) pares de indivíduos de populações diferentes são frequentemente mais semelhantes do que pares da mesma população. Se as estatísticas multilocus são tão poderosas, como devemos entender essa descoberta?

Todas as três reivindicações listadas acima aparecem em disputas sobre a importância da variação da população humana e "raça". Em particular, a Associação A ntropológica Americana (1997, p. 1) afirmou que "os dados também mostram que quaisquer dois indivíduos dentro de uma determinada população são tão diferentes geneticamente quanto quaisquer duas pessoas selecionadas de quaisquer duas populações no mundo" (posteriormente alterado para “quase tão diferente”). Da mesma forma, o material educacional distribuído pelo Projeto Genoma Humano (2001, p. 812) afirma que "dois indivíduos aleatórios de qualquer grupo são quase tão diferentes [geneticamente] quanto quaisquer dois indivíduos aleatórios do mundo inteiro." Anteriormente, alguém poderia ter julgado essas declarações como essencialmente corretas para caracteres de um único locus, mas não para os multilocus. No entanto, a descoberta de B amshad et al. (2004) sugere que uma investigação empírica dessas alegações é garantida.

A seguir, usamos várias coleções de loci genotipados em várias populações humanas para examinar a relação entre as reivindicações a, b e c acima. Esses conjuntos de dados variam no número de loci polimórficos genotipados, estratégias de amostragem de população, métodos de averiguação de polimorfismo e frequências alélicas médias. Para avaliar a afirmação c, definimos ω como a frequência com que um par de indivíduos de diferentes populações é geneticamente mais semelhante do que um par da mesma população. Mostramos que a afirmação c, a observação de ω altos, é válida para pequenas coleções de loci. Ele se mantém mesmo com centenas de loci, especialmente se as populações amostradas não ficaram isoladas umas das outras por muito tempo. Ele se decompõe, no entanto, com conjuntos de dados compreendendo milhares de loci genotipados em populações geograficamente distintas: Nesses casos, ω torna-se zero. Os métodos de classificação também geram altas taxas de erro com poucos loci e quase nenhum erro com milhares de loci. Ao contrário de ω, no entanto, as estatísticas de classificação fazem uso de propriedades agregadas de populações, de modo que podem se aproximar de 100% de precisão com apenas 100 loci.


Suscetibilidade genética a sintomas graves de coronavírus

A maioria das pessoas experimenta apenas sintomas leves quando têm COVID-19, mas uma minoria terá uma resposta grave ou com risco de vida. Embora algumas das diferenças possam ser explicadas por fatores de risco mais elevados, como idade avançada ou condições de saúde subjacentes, os motivos pelos quais alguns se adaptam e os jovens ficam tão doentes é um dos quebra-cabeças da pandemia COVID-19.

Algumas respostas podem estar no genoma humano. O genoma é o manual de instruções do corpo que contém todas as informações necessárias para fazer, manter e reparar um indivíduo. Existe uma cópia dele em quase todas as células humanas. É feito de DNA, que herdamos de nossos pais.

Os genes dentro do genoma podem trabalhar isoladamente, mas muito mais comumente agem juntos, como se fossem músicos em uma orquestra. Eles também interagem com o meio ambiente. Por exemplo, ao sol, aumenta a atividade dos genes envolvidos na proteção da pele dos danos da luz ultravioleta.

Quaisquer duas pessoas têm genomas que são aproximadamente 99,9% iguais; são os 0,1% restantes que os tornam diferentes. Essa variação pode ser importante para determinar como diferentes pessoas respondem a infecções específicas. Por exemplo, quando as pessoas são infectadas com o coronavírus, os fragmentos do vírus são vistos pelo sistema imunológico de uma forma que pode variar de uma pessoa para outra. O resultado pode ser uma variação na resposta imunológica à infecção.

Os genes humanos envolvidos na resposta à infecção são numerosos e altamente diversos dentro do genoma. Alguns estão localizados no cromossomo X e essa pode ser uma das razões pelas quais os homens (que possuem apenas uma cópia de X) são mais gravemente afetados pela infecção por COVID-19 do que as mulheres (que possuem duas cópias). Variações nos genomas humanos, tanto de genes do sistema imunológico quanto de outros, poderiam explicar pelo menos algumas das diferenças nas respostas à infecção por coronavírus. Eles também podem ajudar a explicar as diferenças em como os pacientes respondem aos tratamentos para COVID-19.


Cientistas examinando genomas humanos, de moscas e vermes encontram biologia compartilhada

Estudos revelam poderosos pontos comuns na atividade biológica e na regulação entre as espécies.

Os pesquisadores que analisam os genomas de humanos, moscas e vermes descobriram que essas espécies têm vários processos genômicos em comum, refletindo sua ancestralidade compartilhada. As descobertas, publicadas em 28 de agosto de 2014, na revista Natureza, oferecem uma visão sobre o desenvolvimento embrionário, a regulação do gene e outros processos biológicos vitais para a compreensão da biologia humana e das doenças.

Os estudos destacam os dados gerados pelo modENCODE Project e pelo ENCODE Project, ambos apoiados pelo National Human Genome Research Institute (NHGRI), parte do National Institutes of Health. Integrando dados das três espécies, o organismo modelo ENCyclopedia Of DNA Elements (modENCODE) Consortium estudou como os padrões de expressão gênica e proteínas regulatórias que ajudam a determinar o destino da célula muitas vezes compartilham características comuns. Os pesquisadores também detalharam as maneiras semelhantes em que as três espécies usam o empacotamento de proteínas para compactar o DNA no núcleo da célula e para regular a função do genoma, controlando o acesso ao DNA.

Lançado em 2007, o objetivo do modENCODE é criar um catálogo abrangente de elementos funcionais nos genomas da mosca da fruta e da lombriga para uso pela comunidade de pesquisa. Esses elementos incluem genes que codificam para proteínas, genes que não codificam proteínas e elementos reguladores que controlam a expressão gênica. O trabalho atual baseia-se nos catálogos iniciais publicados em 2010. Os projetos modENCODE complementam o trabalho realizado pelo Projeto ENCyclopedia Of DNA Elements (ENCODE), que está construindo um catálogo abrangente de elementos funcionais nos genomas humano e de camundongo.

“Os pesquisadores do modENCODE forneceram um recurso valioso para pesquisadores em todo o mundo”, disse o diretor do NHGRI, Eric Green, M.D., Ph.D. “Os conhecimentos adquiridos sobre o funcionamento dos genomas dos organismos modelo ajudam muito a informar a nossa compreensão da biologia humana.”

“Uma maneira de descrever e compreender o genoma humano é por meio da genômica comparativa e do estudo de organismos modelo”, disse Mark Gerstein, Ph.D., Albert L. Williams, Professor de Informática Biomédica na Universidade de Yale em New Haven, Connecticut, e o autor principal em um dos papéis. “A coisa especial sobre o verme e a mosca é que eles estão muito distantes dos humanos evolutivamente, então encontrar algo conservado em todos os três - humano, mosca e verme - nos diz que é um processo fundamental muito antigo.”

Em um estudo, cientistas liderados pelo Dr. Gerstein e outros, analisaram transcriptomas humanos, de mosca e de vermes, a coleção de transcrições (ou leituras) de genes em um genoma. Eles usaram grandes quantidades de dados de expressão gênica gerados nos projetos ENCODE e modENCODE - incluindo mais de 67 bilhões de leituras de sequência gênica - para descobrir padrões de expressão gênica compartilhados por todas as três espécies, particularmente para genes de desenvolvimento.

Os investigadores mostraram que as formas como o DNA é empacotado na célula são semelhantes em muitos aspectos e, em muitos casos, as espécies compartilham programas para ligar e desligar genes de maneira coordenada. Mais especificamente, eles usaram padrões de expressão gênica para combinar os estágios de desenvolvimento de vermes e moscas e encontraram conjuntos de genes paralelos entre si em seu uso. Eles também descobriram que os genes expressos especificamente no verme e os embriões da mosca são reexpressos nas pupas da mosca, o estágio entre a larva e o adulto.

Os pesquisadores descobriram que, em todos os três organismos, os níveis de expressão gênica para genes codificadores de proteínas e não codificantes de proteínas podem ser previstos quantitativamente a partir de características da cromatina nos promotores dos genes. O promotor de um gene diz à maquinaria da célula onde começar a copiar o DNA em RNA, que pode ser usado para fazer proteínas. O DNA é empacotado na cromatina nas células, e mudanças nesse empacotamento podem regular a função do gene.

"Nossas descobertas abrem mundos totalmente novos para a compreensão da expressão gênica e como pensamos sobre o papel da transcrição", disse a co-autora Susan Celniker, Ph.D., Chefe do Departamento de Dinâmica do Genoma, Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, Berkeley, Califórnia . “ModENCODE foi transformador”, acrescentou ela. “Isso ajudou a definir o padrão para os tipos de dados que devem ser gerados e catalogados.”

Outro grupo de cientistas investigou como a cromatina é organizada e como ela influencia a regulação dos genes nas três espécies. Usando os dados de modENCODE e ENCODE, os cientistas compararam os padrões de modificações na cromatina que são necessários para a célula acessar o DNA interno e as mudanças nos padrões de replicação do DNA como resultado dessas modificações. Os pesquisadores descobriram que muitas características da cromatina eram semelhantes nas três espécies.

"Descobrimos principalmente que o uso da modificação da cromatina pelos três organismos é altamente conservado", disse o co-autor Jason Lieb, Ph.D., professor de genética humana da Universidade de Chicago. Ele observou que há um grande interesse na cromatina por causa de sua conexão potencial com algumas doenças, como o câncer. Vários estudos mostraram que alguns tipos de câncer podem ser causados ​​em parte por mutações em genes relacionados à cromatina.

Em um terceiro estudo, os cientistas exploraram semelhanças na regulação do genoma. Os cientistas se concentraram em fatores reguladores da transcrição, reguladores de proteínas-chave que determinam quais células progenitoras eventualmente se tornam células da pele e células renais e oculares. “Estes são os principais coordenadores - eles se ligam a interruptores que controlam o destino de uma célula. Uma das grandes questões em genômica é determinar quais fatores trabalham juntos para ativar quais genes ”, disse o co-autor sênior Michael Snyder, Ph.D., diretor do Centro de Stanford para Genômica e Medicina Personalizada, Universidade de Stanford, Stanford, Califórnia .

Os investigadores descobriram que os fatores de transcrição tendem a se ligar a sequências de DNA semelhantes nos genomas das três espécies, indicando que "as propriedades gerais de como as informações regulatórias são dispostas nos genomas são conservadas nas três espécies", observou o Dr. Snyder. “Os princípios gerais de regulação são mais ou menos semelhantes.” Mesmo assim, eles também encontraram diferenças. Os fatores de transcrição ligam muito poucos dos mesmos alvos entre as espécies e são expressos principalmente em momentos diferentes.

Incluindo esses estudos recém-publicados, mais de uma dúzia de artigos do Consórcio do modENCODE foram ou serão publicados nos periódicos Natureza, Genome Research, Biologia do genoma e os procedimentos da Academia Nacional de Ciências este ano. Esses documentos adicionais relatam estudos envolvendo análises mais profundas dentro de uma ou mais espécies, desenvolvimento de métodos e investigações de processos biológicos específicos. Esta coleção de artigos é o culminar do programa modENCODE, para o qual o financiamento terminou em 2012. Mais de 100 artigos usando dados do modENCODE por grupos fora do programa já foram publicados. Prevê-se que os dados e recursos produzidos pelo modENCODE continuarão a ser usados ​​pela comunidade de pesquisa mais ampla nos próximos anos.


Saúde

As diferenças nas frequências dos alelos contribuem para as diferenças de grupo na incidência de algumas doenças monogênicas e podem contribuir para as diferenças na incidência de algumas doenças comuns (Risch et al. Burchard de 2002 et al. 2003 Tate e Goldstein 2004). Para as doenças monogênicas, a frequência dos alelos causadores geralmente se correlaciona melhor com a ancestralidade, seja familiar (por exemplo, síndrome de Ellis-van Creveld entre os Amish da Pensilvânia), étnica (doença de Tay-Sachs entre populações judias Ashkenazi) ou geográfica (hemoglobinopatias entre pessoas com ancestrais que viviam em regiões com malária). Na medida em que a ancestralidade corresponde a grupos ou subgrupos raciais ou étnicos, a incidência de doenças monogênicas pode diferir entre grupos categorizados por raça ou etnia, e os profissionais de saúde normalmente levam esses padrões em consideração ao fazer o diagnóstico. [ citação necessária ]

Mesmo com doenças comuns envolvendo inúmeras variantes genéticas e fatores ambientais, os pesquisadores apontam para evidências que sugerem o envolvimento de alelos diferencialmente distribuídos com efeitos pequenos a moderados. Exemplos frequentemente citados incluem hipertensão (Douglas et al. 1996), diabetes (Gower et al. 2003), obesidade (Fernandez et al. 2003), e câncer de próstata (Platz et al. 2000). No entanto, em nenhum desses casos a variação alélica em um gene de suscetibilidade demonstrou ser responsável por uma fração significativa da diferença na prevalência da doença entre os grupos, e o papel dos fatores genéticos na geração dessas diferenças permanece incerto (Mountain e Risch 2004).

Neil Risch, da Universidade de Stanford, propôs que a raça / grupo étnico autoidentificado poderia ser um meio válido de categorização nos EUA para considerações de saúde pública e políticas. [42] [43] Enquanto um artigo de 2002 do grupo de Noah Rosenberg faz uma afirmação semelhante "A estrutura das populações humanas é relevante em vários contextos epidemiológicos. Como resultado da variação nas frequências de fatores de risco genéticos e não genéticos, taxas de doenças e de tais fenótipos, como resposta adversa ao medicamento, variam entre as populações. Além disso, as informações sobre a população de origem de um paciente podem fornecer aos profissionais de saúde informações sobre o risco quando as causas diretas da doença são desconhecidas. " [44]


Conceitos-chave e resumo

  • Todo o conteúdo genético de uma célula é seu genoma.
  • Genes codificam proteínas, ou moléculas de RNA estáveis, cada uma das quais desempenhando uma função específica na célula.
  • Apesar de genótipo que uma célula possui permanece constante, a expressão dos genes é dependente das condições ambientais.
  • UMA fenótipo são as características observáveis ​​de uma célula (ou organismo) em um determinado ponto no tempo e resulta do complemento de genes atualmente em uso.
  • A maioria do material genético é organizado em cromossomos que contêm o DNA que controla as atividades celulares.
  • Os procariotos são tipicamente haplóides, geralmente com um único cromossomo circular encontrado no nucleóide. Eucariotos são DNA diplóide organizado em vários cromossomos lineares encontrados no núcleo.
  • O superenrolamento e o empacotamento de DNA usando proteínas de ligação ao DNA permitem que moléculas longas caibam dentro de uma célula. Os eucariotos e as arquéias usam proteínas histonas, e as bactérias usam proteínas diferentes com funções semelhantes.
  • Ambos os genomas procarióticos e eucarióticos contêm DNA não codificador, cuja função não é bem compreendida. Alguns DNAs não codificadores parecem participar da formação de pequenas moléculas de RNA não codificantes que influenciam a expressão gênica, alguns parecem desempenhar um papel na manutenção da estrutura cromossômica e no empacotamento do DNA.
  • DNA extracromossômico em eucariotos inclui os cromossomos encontrados dentro de organelas de origem procariótica (mitocôndrias e cloroplastos) que evoluíram por endossimbiose. Alguns vírus também podem se manter extracromossomicamente.
  • O DNA extracromossômico em procariotos é comumente mantido como plasmídeos that encode a few nonessential genes that may be helpful under specific conditions. Plasmids can be spread through a bacterial community by horizontal gene transfer.
  • Viral genomes show extensive variation and may be composed of either RNA or DNA, and may be either double or single stranded.

Genes from our extinct relatives live on in modern humans

While all humans are remarkably similar at a genetic level &mdash on average any two individuals' genomes are 99.9% identical &mdash those differences that Faz exist manifest themselves in the dazzling spectrum of human diversity. From a lithe tribesperson of the Kalahari, to a freckled redhead from Ireland, to a sleek-haired, ruddy-cheeked inhabitant of the Tibetan plateau, Homo sapiens come in many different shapes, sizes, hues, and appearances. While we tend to notice differences that are easy to spot, other "stealth" variations in human populations are not necessarily observable from physical appearance alone. For example, many people of African descent are resistant to infection from malaria, while that trait is much rarer among those who hail from other parts of the world. Now new research into Arctic-dwelling Inuit populations points to a surprising origin for one such "stealth" trait &mdash the ability to tolerate frigid temperatures.

Where's the evolution?

Just as other organisms have evolved adaptations that aid survival and reproduction in their unique environments &mdash finches evolving beaks shaped to eat the seeds that are plentiful, moths evolving wings that blend in with the bark of the trees where they sit &mdash so too have different human populations experienced natural selection shaping them in response to their environments. Random mutations occur, some of these mutations affect the traits of the organism that carries it, and sometimes the organism lives in an environment where that altered trait aids survival and reproduction. When that happens, the frequency of the mutation increases, generation by generation, as the descendants of the original carriers multiply in the population. That is the essence of evolution by natural selection. And that is how, for example, malaria-resistant African populations came about: a random mutation that happened to confer resistance to its carrier occurred, and when that mutation wound up in an individual living where malaria was common, that person left more offspring (who were also likely to carry the mutation) than did others. Additional traits adapting humans to different local environmental conditions are shown in the figure below.

Figure titled Global distribution of locally adaptive traits. Adaptado de Strength in small numbers by Sarah Tishkoff, illustrated by A. Cuadra/Science and Megan Rubel/Univ. of Pennsylvania 2015, Ciência, Vol. 349, Issue 6254, pp. 1282-1283 DOI: 10.1126/science.aad0584

One might expect the same to have happened among the Inuit with genes that affect cold tolerance. These indigenous people live in places where winter means an average daily temperature of around -20° F and only a few hours of light each day. Any trait that might help someone eke a living out of such a harsh environment would surely have been favored by natural selection. Indeed, researchers recently scanned the Inuit genome looking for areas that seem to have been acted on by natural selection and honed in on a few regions. One area contains genes that affect how the body processes fatty acids, which makes sense given that the seafood upon which the Inuit depend is unusually high in polyunsaturated fatty acids. Another contains genes related to body fat distribution and the storage of fat in a form that helps generate heat, a trait that could make all the difference in the frigid Arctic winter.

While the Inuit's fatty-acid processing gene variants seem to have evolved via the accumulation and selection of random mutations in human ancestors, the fat distribution gene variants have a different source. The region of the genome that contains these genes is remarkably similar in sequence to the DNA of an ancient human relative that lived alongside Neanderthals &mdash the Denisovans.

Denisovans are known only from a one finger bone and a couple of teeth found in a Siberian cave, but the DNA preserved in these 40,000 year old relics has revealed surprising insights about early human relatives. While we don't know what Denisovans looked like, we do know a fair amount about their sex lives. Denisovans interbred with Neanderthals, with another human relative whose physical remains have yet to be discovered, but whose DNA traces were found in the Denisovan genome, and with our human ancestors.

It is likely that the cold-tolerant genes shaping body fat distribution and the storage of heat-generating fat evolved through natural selection in Denisovans or a close relative of Denisovans (possibly because the chilly environments these lineages inhabited) and then wound up in ancestral humans through breeding. Denisovan evolution may have assembled the genes piecemeal, but it seems that ancient humans acquired them wholesale in an already adapted form. And as humans spread out across the planet they took these handy gene variants with them. In populations that settled in cold regions (like the ancestral Inuits), the gene variants were favored by natural selection and rose to high frequency. In populations inhabiting warmer climes, the gene variants remained rare.

With improvements in DNA technology and better techniques for recovering ancient DNA, we are discovering more genes in modern humans that came to us from our extinct relatives. The percent of human DNA that comes from ancient interbreeding events varies population by population: some modern human genomes contain up to 5% Denisovan DNA. And the gene versions contained in these bits of borrowed DNA do a variety of things. Some seem to be deleterious for us and were selected against, but others (like the Inuit fat-related genes) seem to have been helpful and allowed humans to thrive in the diverse environments we occupy today.


Humans and mice: So similar but yet so different

An international consortium including researchers from the Centre for Genome Regulation led by Roderic Guigó has presented an exhaustive description of the mouse's functional genome elements and their comparison with the human genome

Center for Genomic Regulation

IMAGEM: This shows a comparison of Human Chromosome 1 and equivalent chromosomes in mice. Veja mais

Credit: Centre for Genomic Regulation (CRG)

This news release is available in Spanish.

A group of international researchers has just discovered the keys to explaining why certain processes and systems in mice, like the immune system, metabolism and stress response, are so different to those in humans. The scientists have detailed the functional parts of the mouse genome and have compared them with those in humans. A whole set of data has come out of this - which is now to available to the scientific community - which will be significant for research into mammalian biology as well as the study of human illness mechanisms.

The comparison focuses on the genetic and biochemical processes regulating genome activity in humans and mice. The scientists have found that, in general, the systems for controlling genome activity in the two species are very alike, and have been preserved through time. However, they have also detected certain differences in the DNA, and patterns of gene expression that are not shared. "Finding these similarities and studying the aspects of mouse biology that may reflect human biology, allows us to approach the study of human illnesses in a better way", affirms Bing Ren, one of the principal authors from the ENCODE Consortium and a lecturer in molecular and cellular medicine at the University of California - San Diego.

"The mouse is one of the most utilised models for studying human biology and we use it for creating models of human illnesses and testing new drugs and therapies. Our study goes a long way towards validating the usefulness of this animal model and provides enormous support for its use in human illnesses. We have found that there are many well-preserved cell processes in the two species, for example, in embryonic development. Understanding these similarities will allow us to carry out more accurate studies on human biology", explains Roderic Guigó, one of the main researchers involved in the work and coordinator of the Bioinformatics and Genomics programme at the CRG.

The researchers have compared various processes involved in gene expression, such as gene transcription and chromatin modification, and have repeated this in different tissues and cell types from both humans and mice. "Our lab took part in analysing the group of RNA or transcriptome, that results from transcription, the process by which the instructions in the genes are read. We have discovered that human and mice transcriptome contains both preserved and divergent elements. Surprisingly we have found that the differences seem bigger between species rather than between fabrics when initially we thought that the gene activity in the same kinds of tissues would be similar", adds Alessandra Breschi, one of the first co-authors of the main work published in Natureza and a researcher in Roderic Guigó's lab at the CRG.

The project makes it clear that there is a wide variety of options available for achieving gene expression. By comparing these two genomes they have also found that there is a common "language" that the cells use at the molecular level but which, at the same time, is tremendously flexible and has varied greatly throughout evolution. For example, if we used the analogy of electrical circuits, we would find cables, plugs, switches, etc. By combining the pieces in one way or another, we would obtain very different circuits (as happens between mice and humans) although the basic mechanisms governing the operation are based on the same methods and available resources.

An additional study, currently available at bioRxiv, led by the researchers from the CRG and Cold Spring Harbour Laboratory, highlights the fact that a substantial part of human and mice genes have maintained an essentially constant expression throughout evolution, in tissues and various organs. In addition, the researchers have quantified the preservation level of this gene expression between humans and mice. This allows the identification of those genes that have the same expression in the two species, and for which the mouse represents a good model of human biology.

"ENCODE is a living project and the maps that are generated are constantly updated and improved, with information being added on new types of cells and tissues or new complementary genome assays. We hope that the project can keep providing this data as it has up to now, making it available to everyone and treating it in a systematic and coherent way", concludes Dr. Guigó, the only principal investigator in Europe involved in this work.

The results of the comparison will be published on November 19 in four articles in the prestigious journal Natureza. As well as this, other scientific journals including Genome Research, Biologia Genômica, PNAS, Sangue e Nature Communications are also bringing out related articles. The ENCODE Consortium, or ENCyclopedia of DNA Elements, is a research programme on the human genome funded by the US National Institutes of Health.

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Now We Know Why Platypus Are So Weird - Their Genes Are Part Bird, Reptile, And Mammal

The first complete map of a platypus genome has just been released, and it's every bit as strange as you'd expect from a creature with 10 sex chromosomes, a pair of venomous spurs, a coat of fluorescent fur, and skin that 'sweats' milk.

The duck-billed platypus is truly one of the oddest creatures on Earth. Along with the spiky echidna, these two Australian animals belong to a highly-specialised group of mammals, known as monotremes, which both lay eggs but also nurse their young with milk.

The genes of both are relatively primitive and unchanged, revealing a bizarre blend of several vertebrate animal classes, including birds, reptiles, and mammals.

As different as the platypus might seem at first, it's those very differences that reveal our similarities and our shared ancestry with Earth's other vertebrates.

Scientists think its genome could tell us secrets about our own evolution and how our distant mammalian ancestors went from laying eggs to giving birth.

"The complete genome has provided us with the answers to how a few of the platypus' bizarre features emerged," explains evolutionary biologist Guojie Zhang from the University of Copenhagen.

"At the same time, decoding the genome for platypus is important for improving our understanding of how other mammals evolved - including us humans."

In previous years, a female platypus had some of its genome sequenced, but without any Y chromosome sequences, a lot of information was missing.

Using a male platypus, researchers have now created a physical map with a highly accurate platypus genome.

Today, living mammals are split into three groups, including monotremes, marsupials, and eutherians, or 'placentals'. We humans belong to that last group.

Together, the latter two make up a subclass known as therian mammals. Therian mammals all give birth to live young, but monotremes are simply too different to be lumped in with that group as well.

It's still unclear when all three of these distinct groups first began to diverge from one another. Some think the monotremes split off first, with marsupial and eutherians following suit. Others think all three groups diverged at roughly the same time.

The genome of the platypus has now helped clear up some of the dates. The data collected from echidna and platypus lineages suggests their last common ancestor lived up to 57 million years ago.

Meanwhile, monotremes as a whole appear to have diverged from marsupials and eutherian mammals about 187 million years ago.

Even after all that time, the semi-aquatic platypus has remained remarkably unchanged, fitting a niche in the Australian bush that many marsupials and mammals simply can't.

The authors were particularly interested in the animal's sex chromosomes, which appear to have originated independently from other therian mammals, all of which contain a simple XY pair.

The platypus, however, is the only known animal with 10 sex chromosomes (echidnas have nine). Platypus have 5X and 5Y chromosomes organised in a ring that appears to have broken apart into pieces over the course of mammalian evolution.

Comparing this chromosome information to humans, opossums, Tasmanian devils, chickens, and lizard genomes, the authors found the platypus's sex chromosomes have more in common with birds like chickens than mammals such as humans.

But while platypus lay eggs like chickens, they feed their young milk like therian mammals.

It's not too much of a surprise, therefore, that monotreme genomes contain most of the milk genes that other therian mammals possess.

Casein genes help encode certain proteins in mammalian milk, but monotremes appear to have extra caseins with unknown functions. That said, their milk is not unlike what comes from a cow, or even a lactating human.

As such, the platypus is probably not as dependent on egg proteins as other bird and reptile species because it can later feed their young through the lactation glands on its skin.

Its genome supports this. While birds and reptiles rely on three genes that encode for major egg proteins, the platypus appears to have lost the majority of these genes roughly 130 million years ago. Chickens today have all three egg protein genes, humans have none, and the platypus has only one fully functional copy left.

The platypus is a weird in-between, and its genome is a sort of bridge to our own evolutionary past.

"It informs us that milk production in all extant mammal species has been developed through the same set of genes derived from a common ancestor which lived more than 170 million years ago – alongside the early dinosaurs in the Jurassic period," Zhang says.

The full genome has also revealed the loss of four genes associated with tooth development, which probably disappeared roughly 120 million years ago. To eat, the platypus now uses a pair of horn-like plates to grind up its food.

The venomous spurs on its hind legs can possibly be explained by the creature's defensin genes, which are associated with the immune system in other mammals, and appear to give rise to unique proteins in their venom. Echidnas, which also had their full genomes sequenced, appear to have lost this key venom gene.

The authors say their results represent "some of the most fascinating biology of platypus and echidna" alike.

"The new genomes of both species will enable further insights into therian innovations and the biology and evolution of these extraordinary egg-laying mammals," they conclude.


When is a genome sequence done?

That question can be answered in more than one way. At present, GNN's analysis of the human genome indicates that there are about 2.91 billion base pairs in the euchromatic region of the genome. For purposes of scientific research, we can say that the genome sequence is 95 percent complete, even though certain portions of the genome—namely the centromeres and telomeres, which are the highly repetitive regions at the center and ends of chromosomes—are widely considered to be unsequenceable, at least with current technology.

But the sequence as it is now known is complete enough to be useful to scientists as a base for future research in finding genes and understanding how the human genome as a whole works.

The reasonableness of this approach is revealed by the scientists' experience with the genome of Caenorhabditis elegans, a small roundworm. The worm's genome of 97 million base pairs was pronounced done in late 1998, but scientists are still finding a few mistakes and holes in the sequence. Despite these minor imperfections, the sequence has already helped researchers learn more about the animal's biology—how it grows, develops, ages and dies, and goes about its daily life. And that, after all, is the point of genome sequencing.


Assista o vídeo: Os seres humanos são únicos, mesmo tendo 99 9% dos genes em comum (Dezembro 2021).