Сколько генов делает, чтобы сделать человека?Простые строительные блоки нейронов вместе создают огромную сложность. UCI Research / Арди Рахман, CC BY-NC

Нам, людям нравится думать о себе, как о вершине кучи, по сравнению со всеми другими живыми существами на нашей планете. Жизнь эволюционировала более трех миллиардов лет от простых одноклеточных существ до многоклеточных растений и животных, приходящих во всех формах, размерах и способностях. В дополнение к растущей экологической сложности, в течение истории жизни мы также видели эволюцию интеллекта, сложных обществ и технологического изобретения, пока мы не прибудем сегодня на людей, летающих по всему миру на ногах 35,000, обсуждающих фильм в полете.

Естественно думать об истории жизни как о прогрессирующем от простого до сложного, и ожидать, что это будет отражено в увеличении числа генов. Мы воображаем, что мы возглавляем наш превосходный интеллект и глобальное господство; ожидание состояло в том, что, поскольку мы являемся самым сложным существом, у нас будет самый сложный набор генов.

Эта презумпция кажется логичной, но чем больше исследователей узнают о разных геномах, тем хуже. Около полувека назад оценочное число человеческих генов было в миллионах. Сегодня мы опустились до 20,000, Теперь мы знаем, что бананы с их Гены 30,000, на 50 больше генов, чем у нас.

Поскольку исследователи изобретают новые способы подсчета не только генов, которые имеет организм, но и те, которые у него есть, лишние, существует четкое совпадение между количеством генов в том, что мы всегда считали простейшими формами жизни - вирусами - и самое сложное - нас. Пришло время переосмыслить вопрос о том, как сложность организма отражается в его геноме.


графика подписки внутри себя


числа геновСближающееся оценочное число генов у человека против гигантского вируса. Человеческая линия показывает среднюю оценку с пунктирной линией, представляющую оценочное количество необходимых генов. Номера, показанные для вирусов, предназначены для MS2 (1976), HIV (1985), гигантских вирусов из 2004 и среднего номера T4 в 1990. Шон Ни, CC BY

Подсчет генов

Мы можем думать обо всех наших генах вместе, как рецепты в поваренной книге для нас. Они написаны буквами оснований ДНК - сокращенно ACGT. Гены дают инструкции о том, как и когда собирать белки, из которых вы сделаны, и которые выполняют все функции жизни вашего тела. типичный ген требует букв 1000. Вместе с окружающей средой и опытом гены ответственны за то, что и кто мы, поэтому интересно узнать, сколько генов составляют целый организм.

Когда мы говорим о количестве генов, мы можем отображать фактическое количество вирусов, но только оценки для людей по важной причине. Один вызов подсчет генов в эукариоты - которые включают нас, бананы и дрожжи, такие как Candida, - это то, что наши гены не выровнены, как утки подряд.

Наши генетические рецепты устроены так, как если бы страницы поваренной книги были вырваны и перепутаны с тремя миллиардами других писем, о 50 процентов из которых фактически описываются инактивированные, мертвые вирусы. Поэтому у эукариот трудно подсчитывать гены, которые имеют жизненно важные функции и отделяют их от посторонних.

Напротив, подсчет генов в вирусах - и бактерии, которые могут иметь 10,000 гены - относительно легко. Это связано с тем, что сырье для генов - нуклеиновых кислот - относительно дорого для крошечных существ, поэтому существует сильный выбор для удаления ненужных последовательностей. Фактически, настоящая проблема для вирусов заключается в том, чтобы обнаружить их в первую очередь. Поразительно, что все основные открытия вирусов, в том числе ВИЧ, не были сделаны путем секвенирования вообще, но старыми методами, такими как визуализация и визуализация их морфологии. Продолжающиеся достижения в молекулярной технологии научили нас замечательным разнообразие виросферы, но может помочь нам подсчитать гены того, что мы уже знаем.

Процветает еще меньше

Количество генов, которые нам действительно нужны для здорового образа жизни, вероятно, даже ниже, чем текущая оценка 20,000 во всем нашем геноме. Один из авторов недавнего исследования разумно экстраполировал, что подсчет необходимых генов для человека может быть значительно ниже.

Эти исследователи рассматривали тысячи здоровых взрослых, ищет естественные «нокауты», в которых функции отдельных генов отсутствуют. Все наши гены выпускаются в двух экземплярах - по одному от каждого родителя. Обычно одна активная копия может компенсировать, если другая неактивна, и трудно найти людей с изоферменты печени копии инактивированы, потому что инактивированные гены, естественно, редки.

Гены нокаута довольно легко изучить с помощью лабораторных крыс, используя современные методы генной инженерии, чтобы инактивировать как копии отдельных генов по нашему выбору, так и вообще удалить их, и посмотреть, что происходит. Но человеческие исследования требуют населения людей, живущих в сообществах с медицинскими технологиями 21st века и известных родословных, подходящих для генетического и статистического анализа. Исландцы - одно полезное население и британско-пакистанский народ этого исследования являются еще одним.

Это исследование было обнаружено по генам 700, которые могут быть выбиты без каких-либо очевидных последствий для здоровья. Например, одно неожиданное открытие заключалось в том, что ген PRDM9, который играет решающую роль в плодовитости мышей, также может быть выбит у людей без каких-либо побочных эффектов.

Экстраполирование анализа за пределами исследования нокаутов человека приводит к оценке что только человеческие гены 3,000 действительно необходимы для создания здорового человека. Это находится в том же самом шаге, что и число генов в "гигантские вирусы". Pandoravirus, извлеченный из 30,000-летнего сибирского льда в 2014, является самым крупным вирусом, известным на сегодняшний день, и имеет гены 2,500.

Итак, какие гены нам нужны? Мы даже не знаем, что делает четверть человеческих генов, и это продвинуто по сравнению с нашими знаниями других видов.

Сложность возникает из очень простого

Но является ли конечное число человеческих генов 20,000 или 3,000 или что-то еще, дело в том, что когда дело доходит до понимания сложности, размер действительно не имеет значения. Мы уже давно это знаем по крайней мере в двух контекстах и ​​только начинаем понимать третий.

Алан Тьюринг, математик и Выключатель кода WWII установил теорию многоклеточного развития. Он изучал простые математические модели, которые теперь называются реакционно-диффузионными процессами, в которых небольшое количество химических веществ - всего два в модели Тьюринга - диффундируют и реагируют друг с другом. С помощью простых правил, регулирующих их реакцию, эти модели может надежно генерировать очень сложные, но когерентные структуры которые легко видны, Поэтому биологические структуры растений и животных не требуют сложного программирования.

Аналогично, очевидно, что Соединение 100 триллионов в человеческом мозге, которые действительно делают нас такими, какие мы есть, не могут быть генетически запрограммированы индивидуально. недавние прорывы в искусственном интеллекте основаны на нейронные сети; это компьютерные модели мозга, в которых простые элементы, соответствующие нейронам, устанавливают свои собственные связи посредством взаимодействия с миром. результаты были впечатляющими в прикладных областях, таких как распознавание рукописного текста и медицинский диагноз, и Google пригласил общественность играть в игры с и наблюдать мечты его ИИ.

Микробы выходят за рамки основных

Таким образом, ясно, что одна ячейка не должна быть очень сложной для большого числа из них для получения очень сложных результатов. Следовательно, не следует удивляться тому, что число человеческих генов может быть такого же размера, как у одноцепочечных микробов, таких как вирусы и бактерии.

То, что приходит в качестве сюрприза, является обратным - что крошечные микробы могут иметь богатые, сложные жизни. Существует растущая область исследований, получившая название "sociomicrobiology», Который исследует необычайно сложную социальную жизнь микробов, которые встают по сравнению с нашими собственными. Мои собственные взносы к этим областям относятся предоставление вирусам их законного места в этой невидимой мыльной опере.

В последнее десятилетие мы осознали, что микробы тратят на 90 процентов своей жизни, поскольку биопленки, которые лучше всего можно рассматривать как биологическую ткань. Действительно, многие биопленки имеют системы электрическая связь между клетками, подобно мозговой ткани, что делает их образцом для изучения нарушений мозга, таких как мигрень и эпилепсия.

Биопленки также можно рассматривать как "города микробов, "И интеграция sociomicrobiology и медицинские исследования быстрый прогресс во многих областях, таких как лечение кистозного фиброза. социальная жизнь микробов в этих городах - в комплекте с сотрудничеством, конфликтами, правдой, ложью и даже самоубийство - быстро становится основной областью исследования в эволюционной биологии в 21st веке.

Подобно тому, как биология людей становится значительно менее выдающейся, чем мы думали, мир микробов становится намного интереснее. И количество генов, похоже, не имеет к этому никакого отношения.

Об авторе

Шон Ни, профессор кафедры экосистемной науки и управления, Университет штата Пенсильвания

Эта статья изначально была опубликована в Беседа, Прочтите оригинал статьи.

Похожие книги:

at Внутренний рынок самовыражения и Amazon