Genele sunt în primul rând instrucțiuni pentru crearea proteinelor. Și îndeplinesc bine această sarcină. Genele seamănă oarecum cu clapele unui pian, fiecare cântând o singură notă și nimic altceva, ceea ce, evident, sună puțin cam monoton. Dar, atunci când combinăm genele așa cum combinăm notele clapelor pianului, putem crea o infinitate de acorduri și melodii. Reunind toate aceste gene, obținem simfonia existenței cunoscută sub numele de genom uman.

Genomul uman este stocat pe 23 de perechi de cromozomi. 22 dintre acestea sunt perechi de cromozomi autozomali, în timp ce ultima determină sexul. Genomul uman haploid ocupă puțin mai mult de 3 miliarde de perechi de baza de ADN (acid deoxiribonucleic).

Genomul uman haploid conține circa 20.000 de gene codificante. Doar 1,5% din genom codifică proteine, restul fiind gene ARN necodificante, șiruri de reglare, introni, și ceea ce se numește “junk” ADN.

Fiecare celulă din corp are același set complet de gene. O genă este formată din ADN și este, în principiu, un tip de instrucțiune genetică. Aceste instrucțiuni pot fi folosite pentru a realiza proteine și pentru a controla reacția chimică a vieții.

Unele gene sunt active în unele țesuturi și organe, dar nu și în altele. De asta un plămân este diferit de un ficat. Genele sunt activate sau dezactivate în timpul dezvoltării, dar și ca răspuns la schimbările de mediu, de metabolism sau de infecții.

Human Genome Project a produs o secvență de referința a genomului uman eucromatic, utilizată în toată lumea în științele biomedicale.

Proiectul genomul uman

Proiectul genomul uman a produs primele secvențe complete ale genomilor umani, iar prima analiză a fost publicată în anul 2001. Datele rezultate sunt utilizate în întreaga lume în domeniul științei biomedicale, antropologiei și alte ramuri ale științei. Există o așteptare că studiile genomice vor conduce la progrese în diagnosticarea și tratamentul bolilor dar și că vor oferi noi perspective în multe domenii ale biologiei, inclusiv evoluția umană.

 (Sursa foto) Deși secvența genomului uman a fost (aproape) complet determinată prin secvențierea ADN-ului, nu este încă pe deplin înțeleasă. Cele mai multe gene au fost identificate printr-o combinație de abordări experimentale folosind mijloace bioinformatice și necesită mult efort pentru elucidarea funcțiilor lor biologice. Rezultatele recente arată că o mare parte din ADN-ul necodant din genom prezintă activități biochimice, inclusiv reglarea expresiei genelor, organizarea arhitecturii cromozomiale și poate controla moștenirea epigenetica.

Există aproximativ 19.000 – 20.000 de gene care codifica proteine. Estimarea numărului de gene a fost revizuita în mod repetat față de predicțiile inițiale estimate la 100.000. Secvențele de codificare a proteinelor reprezintă doar o fracțiune mica în comparație cu dimensiunea genomului (aproximativ 1,5%), iar restul de gene sunt asociate cu moleculele de ARN necodante sau secvențe de ADN de reglare.

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

Stabilitatea genetică

Genele pot suferi mutații, însa se întâmplă destul de rar. O mutație reprezintă o schimbare permanenta a ADN-ului. Dar având în vedere că suntem făcuți din trilioane de celule, mutațiile par mai frecvente. În timp ce unele sunt dăunătoare, altele pot să nu aibă niciun efect, sau pot fi chiar benefice.

Corpul nostru recunoaște și distruge celulele care prezintă mutații dăunătoare, dar asta nu se întâmpla întotdeauna. Astfel apare cancerul. În general, genomul este destul de stabil și structura genetică se păstrează pe parcursul vieții.

Mark Stoeckle de la Universitatea Rockefeller din New York și David Thaler de la Universitatea din Basel, Elveția, au publicat o lucrare interesantă în jurnalul Human Evolution. Știm că populațiile mari care se deplasează mult, precum furnicile, șobolanii și oamenii, vor deveni mai diversificate cu timpul din punct de vedere genetic. Însă este adevărat? Stoeckle spune ca nu.

Poate cel mai surprinzător rezultat al studiului este ca 9 din 10 specii existente azi pe Pământ, inclusiv oamenii, au apărut în urmă cu 100.000 – 200.000 de ani. Cum explicăm faptul ca 90% din viața de pe Pământ, are aproape aceeași vârsta? (în imagine, Truganini, in anul 1866 – ultima femeie aborigen din Tasmania).

Ultimul cataclism major care a făcut să dispară multe specii de pe Pământ s-a întâmplat acum 65,5 milioane de ani, deci explicația trebuie să fie alta. Stoeckle spune că poate “cea mai simplă interpretare este că viața este într-o permanentă evoluție”. Privind din această perspectivă, o specie are o durata limitată de timp înainte ca aceasta să evolueze în ceva nou sau să dispară.

Evoluția

Genomul uman prezintă urme ale evoluției. Progresele în secvențierea ADN-ului, genomica funcționala și modelarea genetica a populației ne-au îmbunătățit înțelegerea istoriei și a dinamicii populațiilor umane. Aceste progrese au dezvăluit, de asemenea, mulți factori anterior subapreciați care influențează evoluția genomului uman, inclusiv schimbări funcționale ale ADN-ului și histonei (proteine alcaline), mutațiile eterogene sau variațiile structurale.

Studiul evoluției genomului uman este interesant pentru că dezvăluie răspunsuri la întrebările fundamentale despre originea umana și ne arată baza genetică ce ne dă trăsăturile specifice umane. (Sursa foto)

În ciuda unor progrese imense de la secvențierea primului genom uman, există încă multe lucruri pe care nu le înțelegem despre evoluția genomului uman. Progresele recente statistice și experimentale și secvențierea a mii de genomuri umane din diverse populații au dezvăluit o complexitate semnificativă.

Poate că cel mai dramatic rezultat în acest domeniu în ultimii ani a fost secvențierea ADN-ului din hominidele arhaice, precum Neanderthalienii și Denisovienii. (În imagine, om cu turban din India – Sursa foto)

Suntem o specie tânăra. Cele mai recente dovezi genetice și fosile sugerează că oamenii moderni au apărut în Africa de Est acum 200.000 de ani în urmă, ceea ce înseamnă extrem de puțin, având în vedere că ne-am separat de genul Pan (din care fac parte cimpanzeii de azi) acum 6 milioane de ani. În doar 200.000 de ani oamenii s-au răspândit pe tot globul, depășind cu mult toate celelalte specii umane arhaice. Succesul nostru se datorează în mare parte caracteristicilor biologice complexe, incluzând un creier mai mare, mersul în două picioare și modificările morfologice craniofaciale și ale membrelor, care au apărut pe linia umană cu mult înainte de apariția oamenilor moderni. Aceste adaptări au facilitat evoluția trăsăturilor comportamentale unice ale omului, precum limbajul, care se datorează modificărilor secvenței ADN apărute pe linie umană de la divizarea om-cimpanzeu. Identificarea acestor schimbări a devenit o prioritate majoră a studiului geneticii și a genomicii umane.

Secvențierea genomului cimpanzeului, macacus rhesus, dar și a altor genomuri de primate a făcut posibilă identificarea schimbărilor din ADN-ul uman folosind metode comparative.

Studii recente au încercat să diferențieze schimbările funcționale critice utilizând diferite metode statistice pentru a identifica genele umane și secvențele de reglare ale genei care prezintă o evoluție neașteptat de rapidă. Rezultatele acestor analize cuprind un catalog al evoluției specific umane la nivel molecular. Având în vedere originea noastră recentă, diferențele care disting oamenii moderni de specia umana arhaica vor fi probabil un mic subset al tuturor diferențelor de secvențe om-cimpanzeu.

Neanderthalienii au fost ținta primară a unor astfel de studii din mai multe motive. Neanderthalienii sunt rude apropiate ale oamenilor moderni și ambele specii au trăit în Europa acum 40.000 de ani, indicând posibilitatea de împerechere. Mai multe studii recente au folosit o metodă de abordare metagenomică cuplată cu secvențierea paralelă pentru a obține secvența genomică.

Au existat speculații despre ceea ce va dezvălui acest proiect, multe chiar fanteziste, cum că s-ar putea folosi o secvență a genomului neanderthalian pentru a aduce specia la viață.

Suntem singura specie din genul Homo rămasă în viață și prin urmare, nu știm dacă Neanderthalienii sau celelalte rude dispărute împărtășesc capacitatea noastră de inovație, raționament abstract sau limba. A trebuit sa facem speculații pe baza anatomiei, a așezărilor și a artefactelor lăsate în urmă. (Sursa foto)

Datorită similitudinii biologice între oamenii moderni și neanderthalieni s-a ajuns la concluzia că strămoșul comun al celor doua specii a trăit acum 300.000 – 700.000 de ani în urmă. Liniile moderne umane și neanderthale au continuat pe traiectorii evolutive paralele după divergenta lor, cu descendenții unei ramuri migrând spre Europa și dând naștere Neandetalienilor, iar cealaltă ramura rămânând în Africa – ramura din care avea să apărem noi.

Colonizarea umană a Europei – acum circa 40.000 de ani – a adus din nou în contact aceste două specii.

Însă cât de mult au avut în comun? Au fost oamenii moderni și neanderthalienii capabili să se împerecheze? Și dacă da, cât de mult a influențat felul în care noi arătam astăzi?

Primii oameni moderni care au colonizat Europa aveau aceeași capacitate cognitivă ca și oamenii de azi: au realizat picturi în peșteri, figurine și instrumente muzicale. Au avut cel mai probabil și capacitatea de a comunica verbal, indicând o capacitate umană modernă de abstractizare. Acest comportament simbolic nu era un fenomen nou; există dovezi că oamenii moderni făceau decorațiuni și au sculptat reprezentări abstracte în Africa cu cel puțin 75.000 de ani în urmă.

Nu știm dacă Neanderthalienii aveau talente similare, însa au făcut cu siguranța unelte și aveau creiere mai mari decât oamenii moderni. Nu știm nici dacă comunicau prin limbaj, deși trăsăturile anatomice ar fi permis vorbirea articulata.

Toate studiile privind ADN-ul de Neanderthal folosesc material obținut din oase. După cum este de așteptat, calitatea materialului genetic care poate fi recuperat din astfel de specimene este foarte slaba, deoarece ADN-ul se degradează în timp. În consecință, majoritatea fosilelor descoperite nu ofera un ADN utilizabil.

Când este prezent, ADN-ul genomic este recuperat în fragmente scurte iar conținutul este degradat. Leziunile ADN-ului și contaminarea microbiana depind de condițiile ambientale: probele care au furnizat cel mai intact ADN sunt resturile de mamut recuperate din permafrost (din solurile înghețate). Niciunul dintre specimenele de Neanderthal descoperite până acum nu se apropie de acest nivel de conservare.

Pe lângă aceste provocări, specimenele devin frecvent contaminate cu ADN uman în timpul manipulării și extracției a ADN-ului.

Neanderthalienii (în imagine – impresie artistică) sunt doar o mică parte din povestea noastră și poate distorsionează modul în care privim trecutul. S-a discutat dacă Neanderthalienii sunt o specie separată. Având în vedere complexitatea evenimentelor ar trebui menținută prudența atunci când se caută legături între populația vie și cea fosilă. În esență, avem nevoie de modele bazate pe populație – nu pe specii. Istoria biologică umană recentă este în centrul unei chestiuni de “microevolutie”.

Durata noastră de viață este mică și nu putem observa efectele evoluției pe o perioadă atât de scurta de timp. Însă semnele evoluției recente sunt răspândite în întreaga lume. Există peste 700 de regiuni din ADN-ul uman care au avut parte de o selecție puternică, conducând la răspândirea unor gene legate de diferite caracteristici. Aceste mutații s-au produs în ultimii 5.000 – 10.000 de ani, a spus Jonathan Pritchard, genetician implicat în realizarea unui studiu. Rezultatele sugerează că oamenii din diferite regiuni au continuat să se adapteze în numeroase moduri la schimbările de mediu și la inovațiile culturale.

Multe dintre modificările genetice identificate de grupul Pritchard au apărut în timpul sau după apariția agriculturii, începând cu aproximativ 10.000 de ani în urmă. Unele dintre genele cele mai puternic afectate de selecție au fost cele asociate de culoarea pielii, structura osoasă și metabolismul.

Folosind datele recent disponibile, oamenii de știință au analizat la nivel genomic pentru a descoperi dovezi ale selecției naturale în populațiile europene, asiatice și africane. Majoritatea genelor selectate au variat puternic între cele 3 grupuri, arătând că oamenii s-au adaptat la presiuni specifice diferitelor părți ale lumii.

Istoria umană a trecut printr-o perioadă de schimbare destul de rapidă. Dieta s-a schimbat considerabil, iar o dată cu explorarea de noi lumi, expunerea la diferiți agenți patogeni dar și a unui nou climat, toți acești parametri au contribuit la selecția naturală. De exemplu, schimbările majore în dietă au avut loc în timp ce vânătorii-culegători nomazi au așezat omenirea către prosperitate și progres. Și anume, au decis sa creeze așezații permanente și să dezvolte agricultura.

(În imagine, aborigen din Tasmania). Primii agricultori trăiau în niște insule umane artificiale pe care le izolau laborios de sălbăticia din jur. Tăiau păduri, săpau canale, curățau câmpuri, construiau case etc. Habitatul artificial rezultat era menit doar oamenilor și animalelor “lor”. Oamenilor le era dificil sa-și părăsească insulele lor artificiale. Și pe bună dreptate, pentru că pe atunci, majoritatea oamenilor erau încă nomazi și oricând produsele agriculturii sau animalele puteau fi furate.

Pritchard spune că această tranziție a lăsat o moștenire puternică asupra genelor asociate procesării carbohidraților și acizilor grași. Cel mai clar exemplu este gena care permite digestia laptelui la vârsta adultă. Printre europeni, ai căror strămoși s-au bazat pe produsele lactate, această genă a devenit larg răspândită. Însă în cele mai multe alte populații, gena este rară.

Evoluția continuă

Oare specia umană se va desparți în mai multe specii? Răspunsul pare a fi negativ, deoarece omul a ocupat toate nișele ecologice posibile, din Antarctica pana la tropice și în plus, nu există izolare geografică între populațiile umane. Populațiile umane, oriunde s-au dezvoltat în ultimii 100 000 de ani, s-au împerecheat imediat cu alte populații o data ce contactul a fost restabilit. Însă asta nu înseamnă că evoluția a încetat.

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”.

1 COMENTARIU

LĂSAȚI UN MESAJ