Genele sunt in primul rand instructiuni pentru crearea proteinelor. Si indeplinesc bine aceasta sarcina. Genele seamana oarecum cu clapele unui pian, fiecare cantand o singura nota si nimic altceva, ceea ce, evident, suna putin cam monoton. Dar, atunci cand combinam genele asa cum combinam notele clapelor pianului, putem crea o infinitate de acorduri si melodii. Reunind toate aceste gene, obtinem simfonia existentei cunoscuta sub numele de genom uman.

Genomul uman este stocat pe 23 de perechi de cromozomi. 22 dintre acestea sunt perechi de cromozomi autozomali, in timp ce ultima determina sexul. Genomul uman haploid ocupa putin mai mult de 3 miliarde de perechi de baza de ADN (acid deoxiribonucleic).

Genomul uman haploid contine circa 20.000 de gene codificante. Doar 1,5% din genom codifica proteine, restul fiind gene ARN necodificante, siruri de reglare, introni, si ceea ce se numeste “junk” ADN.

Fiecare celula din corp are acelasi set complet de gene. O gena este formata din ADN si este, in principiu, un tip de instructiune genetica. Aceste instructiuni pot fi folosite pentru a realiza proteine si pentru a controla reactia chimica a vietii.

Unele gene sunt active in unele tesuturi si organe, dar nu si in altele. De asta un plaman este diferit de un ficat. Genele sunt activate sau dezactivate in timpul dezvoltarii, dar si ca raspuns la schimbarile de mediu, de metabolism sau de infectii.

Human Genome Project a produs o secventa de referinta a genomului uman eucromatic, utilizata in toata lumea in stiintele biomedicale.

Proiectul genomul uman

Proiectul genomul uman a produs primele secvente complete ale genomilor umani, iar prima analiza a fost publicata in anul 2001. Datele rezultate sunt utilizate in intreaga lume in domeniul stiintei biomedicale, antropologiei si alte ramuri ale stiintei. Exista o asteptare ca studiile genomice vor conduce la progrese in diagnosticarea si tratamentul bolilor dar si ca vor oferi noi perspective in multe domenii ale biologiei, inclusiv evolutia umana.

 (Sursa foto) Desi secventa genomului uman a fost (aproape) complet determinata de secventierea ADN-ului, nu este inca pe deplin inteleasa. Cele mai multe gene au fost identificate printr-o combinatie de abordari experimentale folosind mijloace bioinformatice si necesita mult efort pentru elucidarea functiilor lor biologice. Rezultatele recente arata ca o mare parte din ADN-ul necodant din genom prezinta activitati biochimice, inclusiv reglarea expresiei genelor, organizarea arhitecturii cromozomiale si poate controla mostenirea epigenetica.

Exista aproximativ 19.000 – 20.000 de gene care codifica proteine. Estimarea numarului de gene a fost revizuita in mod repetat fata de predictiile initiale estimate la 100.000. Secventele de codificare a proteinelor reprezinta doar o fractiune mica in comparatie cu dimensiunea genomului (aproximativ 1,5%), iar restul de gene sunt asociate cu moleculele de ARN necodante sau secvente de ADN de reglare.

Lungimea totala a genomului uman este de peste 3 miliarde de perechi de baze. Genomul uman include, de asemenea, ADN-ul mitocondrial, o molecula prezenta in fiecare mitocondrion.

Stabilitatea genetica

Genele pot suferi mutatii, insa se intampla destul de rar. O mutatie reprezinta o schimbare permanenta a ADN-ului. Dar avand in vedere ca suntem facuti din trilioane de celule, mutatiile par mai frecvente. In timp ce unele sunt daunatoare, altele pot sa nu aibe niciun efect, sau pot chiar sa fie benefice.

Corpul nostru recunoaste si distruge celulele care prezinta mutatii daunatoare, dar asta nu se intampla intotdeauna. Astfel apare cancerul. In general, genomul este destul de stabil si structura genetica se pastreaza pe parcursul vietii.

Mark Stoeckle de la Universitatea Rockefeller din New York si David Thaler de la Universitatea din Basel, Elvetia, au publicat o lucrare interesanta in jurnalul Human Evolution. Stim ca populatiile mari care se deplaseaza mult, precum furnicile, sobolanii si oamenii, vor deveni mai diversificate cu timpul din punct de vedere genetic. Insa este adevarat? Stoeckle spune ca nu.

Poate cel mai surprinzator rezultat al studiului este ca 9 din 10 specii existente azi pe Pamant, inclusiv oamenii, au aparut in urma cu 100.000 – 200.000 de ani. Cum explicam faptul ca 90% din viata de pe Pamant, are aproape aceeasi varsta? (in imagine, Truganini, in anul 1866 – ultima femeie aborigen din Tasmania).

Ultimul cataclism major care a facut sa dispara multe specii de pe Pamant s-a intamplat acum 65,5 milioane de ani, deci explicatia trebuie sa fie alta. Stoeckle spune ca poate “cea mai simpla interpretare este ca viata este intr-o permanenta evolutie”. Privind din aceasta perspectiva, o specie are o durata limitata de timp inainte ca aceasta sa evolueze in ceva nou sau sa dispara.

Evolutia

Genomul uman prezinta urme ale evolutiei. Progresele in secventierea ADN-ului, genomica functionala si modelarea genetica a populatiei ne-au imbunatatit intelegerea istoriei si a dinamicii populatiilor umane. Aceste progrese au dezvaluit, de asemenea, multi factori anterior subapreciati care influenteaza evolutia genomului uman, inclusiv schimbari functionale ale ADN-ului si histonei (proteine alcaline), mutatiile eterogene sau variatiile structurale.

Studiul evolutiei genomului uman este interesant pentru ca dezvaluie raspunsuri la intrebarile fundamentale despre originea umana si ne arata baza genetica ce ne da trasaturile specifice umane. (Sursa foto)

In ciuda unor progrese imense de la secventierea primului genom uman, exista inca multe lucruri pe care nu le intelegem despre evolutia genomului uman. Progresele recente statistice si experimentale si secventierea a mii de genomuri umane din diverse populatii au dezvaluit o complexitate semnificativa.

Poate ca cel mai dramatic rezultat in acest domeniu in ultimii ani a fost secventierea ADN-ului din hominidele arhaice, precum Neanderthalienii si Denisovienii. (In imagine, om cu turban din India – Sursa foto)

Suntem o specie tanara. Cele mai recente dovezi genetice si fosile sugereaza ca oamenii moderni au aparut in Africa de Est acum 200.000 de ani in urma, ceea ce inseamna extrem de putin, avand in vedere ca ne-am separat de genul Pan (din care fac parte cimpanzeii de azi) acum 6 milioane de ani. In doar 200.000 de ani oamenii s-au raspandit pe tot globul, depasind cu mult toate celelalte specii umane arhaice. Succesul nostru se datoreaza in mare parte caracteristicilor biologice complexe, incluzand un creier mai mare, mersul in doua picioare si modificarile morfologice craniofaciale si ale membrelor, care au aparut pe linia umana cu mult inainte de aparitia oamenilor moderni. Aceste adaptari au facilitat evolutia trasaturilor comportamentale unice ale omului, precum limbajul, care se datoreaza modificarilor secventei ADN aparute pe linie umana de la divizarea om-cimpanzeu. Identificarea acestor schimbari a devenit o prioritate majora a studiului geneticii si a genomicii umane.

Secventierea genomului cimpanzeului, macacus rhesus, dar si a altor genomuri de primate a facut posibila identificarea schimbarilor din ADN-ul uman folosind metode comparative.

Studii recente au incercat sa diferentieze schimbarile functionale critice utilizand diferite metode statistice pentru a identifica genele umane si secventele de reglare ale genei care prezinta o evolutie neasteptat de rapida. Rezultatele acestor analize cuprind un catalog al evolutiei specific umane la nivel molecular. Avand in vedere originea noastra recenta, diferentele care disting oamenii moderni de specia umana arhaica vor fi probabil un mic subset al tuturor diferentelor de secvente om-cimpanzeu.

Neanderthalienii au fost tinta primara a unor astfel de studii din mai multe motive. Neanderthalienii sunt rude apropiate ale oamenilor moderni si ambele specii au trait in Europa acum 40.000 de ani, indicand posibilitatea de imperechere. Mai multe studii recente au folosit o metoda de abordare metagenomica cuplata cu secventierea paralela pentru a obtine secventa genomica.

Au existat speculatii despre cea ce va dezvalui acest proiect, multe chiar fanteziste, cum ca s-ar putea folosi o secventa a genomului neanderthalian pentru a aduce specia la viata.

Suntem singura specie din genul Homo ramasa in viata si prin urmare, nu stim daca Neanderthalienii sau celelalte rude disparute impartasesc capacitatea noastra de inovatie, rationament abstract sau limba. A trebuit sa facem speculatii pe baza anatomiei, a asezarilor si a artefactelor lasate in urma. (Sursa foto)

Datorita similitudinii biologice intre oamenii moderni si neanderthalieni s-a ajuns la concluzia ca stramosul comun al celor doua specii a trait acum 300.000 – 700.000 de ani in urma. Liniile moderne umane si neanderthale au continuat pe traiectorii evolutive paralele dupa divergenta lor, cu decensentii unei ramuri migrand spre Europa si dand nastere Neandetalienilor, iar cealalta ramura ramanand in Africa – ramura din care avea sa aparem noi.

Colonizarea umana a Europei – acum circa 40.000 de ani – a adus din nou in contact aceste doua specii.

Insa cat de mult au avut in comun? Au fost oamenii moderni si neanderthalienii capabili sa se imperecheze? Si daca da, cat de mult a influentat felul in care noi aratam astazi?

Primii oameni moderni care au colonizat Europa aveau aceleasi capacitate cognitiva ca si oamenii de azi: au realizat picturi in pesteri, figurine si instrumente muzicale. Au avut cel mai probabil si capacitatea de a comunica verbal, indicand o capacitate umana moderna de abstractizare. Acest comportament simbolic nu era un fenomen nou; exista dovezi ca oamenii moderni faceau decoratiuni si au sculptat reprezentari abstracte in Africa cu cel putin 75.000 de ani in urma.

Nu stim daca Neanderthalienii aveau talente similare, insa au facut cu siguranta unelte si aveau creiere mai mari decat oamenii moderni. Nu stim nici daca comunicau prin limbaj, desi trasaturile anatomice ar fi permis vorbirea articulata.

Toate studiile privind ADN-ul de Neanderthal folosesc material obtinut din oase. Dupa cum este de asteptat, calitatea materialului genetic care poate fi recuperat din astfel de specimene este foarte slaba, deoarece ADN-ul se degradeaza in timp. In consecinta, majoritatea fosilelor descoperite nu ofera un ADN utilizabil.

Cand este prezent, ADN-ul genomic este recuperat in fragmente scurte iar continutul este degradat. Leziunile ADN-ului si contaminarea microbiana depind de conditiile ambientale: probele care au furnizat cel mai intact ADN sunt resturile de mamut recuperate din permafrost (din solurile inghetate). Niciunul dintre specimenele de Neanderthal descoperite pana acum nu se apropie de acest nivel de conservare.

Pe langa aceste provocari, specimenele devin frecvent contaminate cu ADN uman in timpul manipularii si extractiei a ADN-ului.

Neanderthalienii (in imagine – impresie artistica) sunt doar o mica parte din povestea noastra si poate distorsioneaza modul in care privim trecutul. S-a discutat daca Neanderthalienii sunt o specie separata. Avand in vedere complexitatea evenimentelor ar trebui mentinuta prudenta atunci cand se cauta legaturi intre populatia vie si cea fosila. In esenta, avem nevoie de modele bazate pe populatie – nu pe specii. Istoria biologica umana recenta este in centrul unei chestiuni de “microevolutie”.

Durata noastra de viata este mica si nu putem observa efectele evolutiei pe o perioada asa scurta de timp. Insa semnele evolutiei recente sunt raspandite in intreaga lume. Exista peste 700 de regiuni din ADN-ul uman care au avut parte de o selectie puternica, conducand la raspandirea unor gene legate de diferite caracteristici. Aceste mutatii s-au produs in ultimii 5.000 – 10.000 de ani, a spus Jonathan Pritchard, genetician implicat in realizarea unui studiu. Rezultatele sugereaza ca oamenii din diferite regiuni au continuat sa se adapteze in numeroase moduri la schimbarile de mediu si la inovatiile culturale.

Multe dintre modificarile genetice identificate de grupul Pritchard au aparut in timpul sau dupa aparitia agriculturii, incepand cu aproximativ 10.000 de ani in urma. Unele dintre genele cele mai puternic afectate de selectie au fost cele asociate cu culoarea pielii, structura osoasa si metabolismul.

Folosind datele recent disponibile, oamenii de stiinta au analizat la nivel genomic pentru a descoperi dovezi ale selectiei naturale in populatiile europene, asiatice si africane. Majoritatea genelor selectate au variat puternic intre cele 3 grupuri, sugerand ca oamenii s-au adaptat la presiuni specifice diferitelor parti ale lumii.

Istoria umana a trecut printr-o perioada de schimare destul de rapida. Dieta s-a schimbat considerabil, iar o data cu explorarea de noi lumi, expunerea la diferiti agenti patogeni dar si a unui nou climat, toti acesti parametri au contribuit la selectia naturala. De exemplu, schimbarile majore in dieta au avut loc in timp ce vanatorii-culegatori nomazi au asezat omenirea catre prosperitate si progres. Si anume, au decis sa creeze asezatii permanente si sa dezvolte agricultura.

(In imagine, aborigen din Tasmania). Primii agricultori traiau in niste insule umane artificiale pe care le izolau laborios de salbaticia din jur. Taiau paduri, sapau canale, curatau campuri, construiau case etc. Habitatul artificial rezultat era menit doar oamenilor si animalelor “lor”. Oamenilor le era dificil sa-si paraseasca insulele lor artificiale. Si pe buna dreptate, pentru ca pe atunci, majoritatea oamenilor erau inca nomazi si oricand produsele agriculturii sau animalele puteau fi furate.

Pritchard spune ca aceasta tranzitie a lasat o mostenire puternica asupra genelor asociate procesarii carbohidratilor si acizilor grasi. Cel mai clar exemplu este gena care permite digestia laptelui la varsta adulta. Printre europeni, ai carori stramosi s-au bazat pe produsele lactate, aceasta gena a devenit larg raspandita. Insa in cele mai multe alte populatii, gena este rara.

Evolutia continua

Oare specia umana se va desparti in mai multe specii? Raspunsul pare a fi negativ, deoarece omul a ocupat toate nisele ecologice posibile, din Antarctica pana la tropice si in plus, nu exista izolare geografica intre populatiile umane. Populatiile umane, oriunde s-au dezvoltat in ultimii 100 000 de ani, s-au imperecheat imediat cu alte populatii o data ce contactul a fost restabilit. Insa asta nu inseamna ca evolutia a incetat.

Bibliografie:
Despre toate, pe scurt – De la Big Bang la ADN, Bill Bryson, editura Polirom.
https://www.genome.gov/sequencingcosts/
http://mbe.oxfordjournals.org/cgi/content/abstract/msp197v1
https://www.ashg.org/education/everyone_1.shtml
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4695266/
https://genome.cshlp.org/content/20/5/547.full.html

Foto: https://geneticliteracyproject.org, Filmul documentar „Human”.

LĂSAȚI UN MESAJ