Psy przewodniki

Idealny pies bokser jest mocny, kwadratowy, gładki. Hodowcy cenią go za wyrzeźbioną głowę. Piękno głowy zależy od harmonijnej proporcji pyska do czaszki, przeczytaj standardy American Kennel Club dotyczące rasy. Tępy pysk to jedna trzecia długości głowy od potylicy do czubka nosa i dwie trzecie szerokości czaszki. Inteligentny i czujny bokser przekazuje wdzięk przy każdym ruchu.

Struktura genomu leżąca u podstaw pełnej wdzięku budowy boksera jest również wspaniała, mówi Kerstin Lindblad-Toh, biolog molekularny, który kierował próbą zsekwencjonowania psiego genomu. Jako współdyrektor programu sekwencjonowania i analizy genomu w Broad Institute for Genom Medicine Lindblad-Toh nadzorowała również projekty dotyczące myszy i oposa, więc ma dobre kwalifikacje do oceny genomicznej urody boksera. Źródłem tego piękna jest względny brak różnorodności genetycznej, wynik stu lat ściśle kontrolowanej hodowli cech takich jak czaszki o harmonijnych proporcjach. Jednorodność genetyczna w rasach psów i wąskie różnice między nimi oznaczają, że genom psa zawiera cenne wskazówki dotyczące przyczyn powszechnych chorób zarówno u psów, jak iu ludzi.

Genom psa ma długość około 2,4 miliarda zasad, ale grupie Lindblad-Toh udało się go zsekwencjonować w zaledwie sześć miesięcy. Broad Institute, prowadzony wspólnie przez MIT i Harvard University, jest genetyczną potęgą, która jest w stanie zsekwencjonować 60 miliardów zasad (liter w alfabecie genomowym) z 99-procentową dokładnością każdego roku – odpowiednik kilku projektów genomu ludzkiego. Ma większą zdolność sekwencjonowania niż prawie jakakolwiek inna placówka publiczna lub akademicka na świecie.

Obecnie znaczna część tej zdolności jest przeznaczona na projekt ssaczy genomu Broad. The Broad jest jednym z trzech ośrodków badawczych finansowanych przez National Institutes of Health w celu zwiększenia liczby ssaków, których genomy zostały zsekwencjonowane do około 30 w ciągu najbliższych kilku lat. (Pozostałe dwa ośrodki znajdują się w Baylor College of Medicine w Houston i Washington University School of Medicine w St. Louis.) Lindblad-Toh nadzoruje projekty sekwencjonowania i analizy ponad 20 zwierząt w Broad, zapewniając zasoby naukowcom, którzy polegać na modelach zwierzęcych podczas badania chorób człowieka. Wysiłki jej zespołu rzucą więcej światła na sposób regulacji naszego własnego genomu i wypełnią luki w naszym zrozumieniu historii ewolucji człowieka. Ostatecznie ta praca może pomóc odpowiedzieć na kilka fascynujących pytań: co sprawia, że ​​ssak jest ssakiem, naczelny jest naczelnym, a co czyni nas ludźmi?

Multimedialne

• Zobacz zdjęcia Broad Institute i ich pracy.

Nienaturalna selekcja
W 2002 roku, kiedy badacze psów zapytali Lindblad-Toh o zsekwencjonowanie genomu zwierzęcia, pomyślała: Och, wow, to musi być idealny model. Hodowla kierowana przez człowieka dała pomarszczone shar-pei, irokezowe rhodesian ridgebacki i smukłe borzoi o pięknych liniach. Ale kiedy wzbogacasz się o określone pożądane cechy, często niestety wychwytujesz nimi cechy choroby, mówi Lindblad-Toh. Oprócz charakterystycznych cech, każda rasa ma charakterystyczne genetyczne słabości: wady rozwojowe, choroby serca, problemy z biodrami, nowotwory. Psy cierpią na wiele takich samych chorób jak ludzie, więc naukowcy mogą wykorzystać ich genom do identyfikacji genetycznych przyczyn chorób u obu gatunków.

Lindblad-Toh i jej współpracownicy z National Human Genome Research Institute (część NIH) najpierw musieli ustalić, którą rasę należy zsekwencjonować. Ludzie drastycznie zmniejszyli różnorodność genetyczną niektórych psów, rozmnażając na przykład tylko buldogi o najbardziej krągłych nogach i bokserki o kwadratowych szczękach. Sekwencjonowanie rasy o małej różnorodności genetycznej jest łatwiejsze, ponieważ dwie kopie każdego chromosomu – jedna od matki, jedna od ojca – są do siebie podobne. Kiedy więc wstępna analiza sugerowała, że ​​bokserzy należą do najmniej zróżnicowanych genetycznie ze wszystkich ras psów, naukowcy mieli swój temat.

Nawet gdy różnorodność genetyczna jest ograniczona, szkicowanie genomu przypomina układanie bardzo dużej, bardzo trudnej układanki, której elementy są rozrzucone po całym domu – wciśnięte między poduszki sofy lub pod słoik z musztardą z tyłu lodówki. Po pierwsze, badacze muszą zlokalizować i zidentyfikować wszystkie kawałki; potem stają przed ogromnym obowiązkiem układania puzzli. Lindblad-Toh i jej współpracownicy spędzili sześć miesięcy na sekwencjonowaniu segmentów genomu kobiecego boksera i trzy lub cztery razy dłużej, łącząc je i analizując. Opublikowali w czasopiśmie psi genom wraz z obszerną analizą porównującą go z genomami myszy i człowieka Natura w grudniu 2005 r.

Lindblad-Toh i jej zespół porównali również genom boksera z istniejącą sekwencją badania genomu pudla i częściowymi sekwencjami genomów dziewięciu innych ras psów, które przygotowali w tym celu. Jak się spodziewali, chociaż każda rasa ma swoje własne charakterystyczne cechy i mutacje, wszystkie rasy są nadal bardzo do siebie podobne. (Rasy domowe nie istnieją wystarczająco długo, aby wkradła się duża różnorodność.) Te podobieństwa w obrębie ras psów i między nimi powinny ułatwić wykrycie mutacji związanych z chorobą. Naukowcy z Broad i gdzie indziej odkrywają obecnie geny choroby u psów z pomocą American Kennel Club/Canine Health Foundation i Morris Animal Foundation. Naukowcy chodzą na wystawy psów, aby zbierać próbki krwi i rodowody, lub pobierają próbki od weterynarzy. Korzystając z mikromacierzy DNA, szukają następnie różnic genetycznych między zdrowymi psami a chorymi.

Lindblad-Toh mówi, że ona i inni badacze z Broad zidentyfikowali około 10 genów dla prostych cech, takich jak kolor sierści i złożonych chorób, takich jak rak; badają również geny związane z kardiomiopatią i cukrzycą. Oczywiście, gdy znajdziesz gen choroby psów, natychmiast patrzysz na ludzi z tą samą chorobą, mówi. Psy i ludzie są dość blisko spokrewnieni i mają wspólne wersje większości tych samych genów.

O wiele łatwiej jest jednak odkryć mutacje chorobowe u psów. Dwa losowe rottweilery są znacznie bliżej spokrewnione niż dwóch przypadkowych ludzi. Jeśli oba rottweilery rozwiną raka kości, co jest powszechne w ich rasie, choroba będzie prawdopodobnie spowodowana kilkoma mutacjami noszonymi przez oba psy. Jednak prawdopodobieństwo, że dwoje ludzi z rakiem kości ma wspólne mutacje powodujące chorobę, jest mniejsze. W przypadku badań nad rakiem mieliśmy około 50 do 100 chorych psów, mówi Lindblad-Toh. Aby zobaczyć podobne wzorce, potrzebna byłaby znacznie większa próba ludzi – tysięcy pacjentów i zdrowych ludzi. Zrozumienie, które mutacje powodują chorobę u psów, pomaga naukowcom dowiedzieć się, gdzie szukać mutacji powodujących chorobę u ludzi.

Prawie dwa lata po opublikowaniu psiego genomu, jego obietnica jako narzędzia do badania ludzkich chorób zaczyna się sprawdzać. Lindblad-Toh mówi, że jej grupa ma nadzieję zidentyfikować mutacje związane z kostniakomięsakiem, rzadkim, ale śmiertelnym nowotworem wieku dojrzewania. To będzie bardzo ekscytujące w ciągu następnego roku, aby zobaczyć, czy zastosowanie [spostrzeżeń z badania mutacji psich genów] u pacjentów z tymi samymi chorobami również pokaże mutacje w tych samych genach, mówi. Moja przepowiednia brzmi tak. Myślę, że jeśli możesz znaleźć silne czynniki ryzyka u ludzi, używając psów, byłoby to wielką korzyścią.

Poza genami
Kiedy przeanalizowaliśmy genomy myszy i człowieka, odkryliśmy, że są one funkcjonalne w 5 procentach, mówi Lindblad-Toh. Oznacza to, że 5 procent genomu każdego stworzenia jest bardzo podobne do 5 procent drugiego, co sugeruje, że powiązane sekwencje muszą służyć jakiemuś celowi. Okazało się, że genom psa ma te same 5 procent, co u ludzi i myszy, co potwierdza, że ​​to nie tylko zbieg okoliczności. Większość z tych 5 procent to jednak nie geny.

Nasz genom składa się z 46 chromosomów, które są odrębnymi, długimi łańcuchami związków organicznych znanych jako A, T, C i G – litery DNA. Sekwencjonowanie genomu oznacza ustalenie, która litera lub zasada znajduje się w każdym punkcie każdego łańcucha. Geny to odcinki, w których zasady tworzą kod, który można przetłumaczyć na białka; stanowią 1,5 procent genomu. Ale zdumiewające 95 procent naszego genomu to podatny na mutacje żarłok, genetyczny odpowiednik zdań, które można stworzyć, uderzając głową w klawiaturę z frustracji.

Teraz biolodzy próbują scharakteryzować funkcjonalne części genomu, które nie są genami – regiony, które ich zdaniem odgrywają ważną rolę w regulacji genów. Chcą zidentyfikować te regiony i dowiedzieć się, jakie elementy zawierają, jak regiony są zorganizowane i jak działają.

Najlepszym sposobem na znalezienie elementów regulacyjnych w żarłaczu jest przyjrzenie się temu, co jest zachowane – co pozostaje takie samo – w wielu gatunkach. Porównywanie genomów jest prawie jak kamień z Rosetty, mówi Lindblad-Toh. Dzięki temu samemu przekazowi wyrytemu w alfabecie greckim, hieroglifach i pismem demotycznym (rodzaj hieroglifów kursywnych), kamień z Rosetty umożliwił rozszyfrowanie dwóch ostatnich systemów pisma. Podobnie w genomach mamy ciąg liter; wszystko, co jest ważne, pozostanie takie samo.

Większość genomu to jedynie martwa przestrzeń między genami, gdzie sekwencja zasad nie ma znaczenia dla funkcji życiowych. Mutacje, które pojawiają się w takich odcinkach, czasami tworzą funkcjonalne sekwencje, ale zwykle nie są ani pomocne, ani szkodliwe. Oznacza to, że kumulują się one stosunkowo szybko: nie wpływając na indywidualne szanse rozmnażania się, nie podlegają doborowi naturalnemu, więc są przekazywane znacznie szybciej niż zmiany w obszarach funkcjonalnych, które często są szkodliwe.

Im więcej czasu ewolucyjnego jest między dwoma [gatunkami] ssaków, tym bardziej nieistotne rzeczy się zmienią, mówi Lindblad-Toh. Ale łańcuch DNA, którego sekwencja jest niezmieniona u różnych gatunków, prawdopodobnie pełni ważną funkcję. Gdy naukowcy wskażą te sekwencje w obszarach między genami, mogą je indywidualnie przetestować, aby określić ich funkcje.

Jednak porównanie ludzkiego genomu z genomem daleko spokrewnionego organizmu, takiego jak drożdże, jest trudne: aby rozszerzyć metaforę kamienia z Rosetty, te dwa teksty niosą zbyt wiele różnych przesłań. Porównywanie genomów, które niosą ze sobą wiele takich samych informacji, jak genomy człowieka i psa, jest bardziej produktywne. Aby naprawdę zrozumieć ludzki genom, skupiamy się na ssakach, mówi Lindblad-Toh. Szeroko zakrojeni naukowcy, z których niektórzy uczestniczyli w Human Genome Project przed założeniem instytutu w 2003 roku, byli zaangażowani w sekwencjonowanie szympansów, myszy, psów i koni oraz innych zwierząt (patrz Menażeria Broada, s. M17) . W Broad trwają również prace nad świnką morską, słoniem, królikiem, małym brązowym nietoperzem, małym krzakiem i wiewiórką.

Naukowcy początkowo wydobyli funkcjonalne 5 procent ludzkiego genomu, porównując go z genomem tylko jednego innego zwierzęcia, myszy. Dodanie genomu psa stworzyło potężną triadę. Teraz naukowcy koncentrują się na tym, co robią funkcjonalne elementy niegenowe. Coraz więcej dowodów wskazuje, że regulują one genom. Bez elementów regulacyjnych gen byłby jak nieprzeczytana książka gromadząca kurz w kącie magazynu biblioteki: tylko bezwładny ciąg liter.

Wiedza o tym, co robi każdy gen, jest bardzo ważna, ale to nie wystarczy. Niektóre choroby są wyraźnie spowodowane brakiem jednego białka, mówi Lindblad-Toh; Przykładem są niedobory enzymów. Ale w przypadku powszechnych chorób, takich jak rak lub cukrzyca, może to być po prostu funkcją tego, ile lub jak mało białka wytwarzasz i czy wytwarzasz je we właściwym czasie, czy nie. Wydaje się prawdopodobne, że czynniki te są kontrolowane przez elementy regulacyjne.

Jestem głęboko przekonany, że wiele powszechnych chorób jest spowodowanych mutacjami regulacyjnymi, mówi Lindblad-Toh. Wczesne badania nad genomem psa przeprowadzone przez Broad Institute wydają się potwierdzać jej hipotezę. Badacze szukają mutacji związanych z kilkoma cechami i chorobami, w tym z kolorem białego płaszcza, problemami z tarczycą, rakiem kości, problemami z sercem i gorączką shar-pei. W przypadku kilku z nich istnieją wstępne dowody na to, że odpowiedzialne mutacje leżą poza genami – w elementach regulatorowych.

Skupienie się na tym, gdzie te elementy się znajdują w genomie jest znacznie łatwiejsze niż ustalenie, co robią i jak. Jeden rodzaj regulatora, zwany wzmacniaczem, rozpoczyna proces, który umożliwia genom przekazywanie informacji. Wzmacniacze mogą znajdować się w obrębie, blisko lub bardzo daleko od genów, które regulują. Badacze stawiają hipotezę, że białka wiążą się ze wzmacniaczem i obszarem bezpośrednio poprzedzającym gen; łączą się również ze sobą, ciągnąc DNA w pętlę i umożliwiając rozpoczęcie transkrypcji genu. Ale takie mechanizmy dopiero zaczynają być rozumiane.

Co czyni nas ssakami
Porównanie genomu psa z genomem myszy i człowieka pomogło naukowcom zidentyfikować wiele elementów regulacyjnych; dalsza analiza wykazała, że ​​u wszystkich trzech ssaków połowa tych elementów skupia się wokół tylko około 240 genów. Innymi słowy, aż 50 procent naszych najbardziej konserwowanych elementów wydaje się regulować niewiele więcej niż 1 procent naszych genów.

Co więc robią te geny, by zasługiwać na tak specjalne traktowanie? Okazuje się, że odgrywają one kluczową rolę podczas rozwoju. Kontrolują nasz plan ciała, biologiczny odpowiednik planu. Dyktując konfigurację naszych kręgosłupów, strukturę naszych mózgów i położenie przeciwstawnych kciuków, czynią nas kręgowcami, ssakami, naczelnymi.

Oczywiście niezwykle ważne jest, abyś ustawił stopę tam, gdzie idzie, a nie przypadkowo na głowę, mówi Lindblad-Toh. Myślimy, że odkryliśmy, że około tych 200 genów znajduje się w dużej części tych elementów regulatorowych. Zasadniczo są głównymi regulatorami genów głównych, które czynią ssaki ssakami. Niektóre z tych skupionych elementów regulatorowych są tak ważne, że są lepiej zachowane między gatunkami niż geny.

Analiza genomu oposa opublikowana przez Broad w maju tego roku dodatkowo potwierdza hipotezę Lindblad-Toh, że istnieją główne regulatory ssaków. Oposy znajdują się na innej gałęzi drzewa genealogicznego ssaków: są torbaczami, podczas gdy ludzie, psy i myszy to ssaki z łożyskiem. W przypadku każdego genomu, który dodajemy, wciąż opieramy się na hipotezie, że funkcjonalne 5 procent genomów człowieka, myszy i psa jest specyficzne dla ssaków i zwierząt eutherian, mówi Lindblad-Toh. Patrząc na opos i inne główne gałęzie drzewa kręgowców, widzimy, że jest tam dodana innowacja. Oznacza to, że oposy nie mają wszystkich tych 5 procent, co ssaki łożyskowe. Duża część zmienności elementów regulacyjnych u torbaczy dotyczy genów planu budowy ciała. Te różnice mogą być tym, co sprawia, że ​​oposy są torbaczami, a to, co się nie zmienia, może być ważną częścią tego, co składa się na ssaki.

Lindblad-Toh mówi, że jest za wcześnie, aby zapytać, co sprawia, że ​​naczelny jest naczelnym lub co sprawia, że ​​ludzie są ludźmi. Wydaje się jednak prawdopodobne, że rozwój w ścieżkach nerwowych jest regulowany przez geny specyficzne dla naczelnych. Każda kolejność, każdy gatunek zwierząt prawdopodobnie ma swoje własne innowacje, kontrolowane przez główne regulatory w obszarach genomu poza genami.

W tej chwili, jak mówi Lindblad-Toh, ona i inni badacze Broad po prostu próbują zebrać podstawowy katalog tych głównych regulatorów. Po zsekwencjonowaniu większej liczby gatunków będzie można zacząć odpowiadać na większe pytania. Ponieważ ta menażeria genomów wciąż rośnie, psy – najlepsi przyjaciele człowieka od dawna w polu i na farmie – okazują się również cennymi towarzyszami w laboratorium.

ukryć