Hoeveel genen neemt het om een ​​persoon te maken?De eenvoudige bouwstenen van neuronen vormen samen een immense complexiteit. UCI Research / Ardy Rahman, CC BY-NC

Wij mensen beschouwen onszelf graag als op de top van de hoop in vergelijking met alle andere levende wezens op onze planeet. Het leven is meer dan drie miljard jaar geëvolueerd van eenvoudige eencellige wezens tot multicellulaire planten en dieren die in alle soorten en maten en mogelijkheden komen. Naast de groeiende ecologische complexiteit, hebben we de geschiedenis van het leven ook gezien door de evolutie van intelligentie, complexe samenlevingen en technologische uitvinding, totdat we vandaag op mensen aankomen die rondvliegen op 35,000-voeten tijdens de bespreking van de in-flight-film.

Het is normaal om te denken aan de voortgang van de geschiedenis van het leven van het simpele tot het complexeen te verwachten dat dit wordt weerspiegeld in het verhogen van het aantal genen. We denken dat we het voortouw nemen met ons superieure intellect en wereldwijde dominantie; de verwachting was dat we, omdat we het meest complexe wezen zijn, de meest uitgebreide reeks genen hebben.

Dit vermoeden lijkt logisch, maar hoe meer onderzoekers weten over verschillende genomen, des te meer gebreken lijkt het. Ongeveer een halve eeuw geleden was het geschatte aantal menselijke genen in de miljoenen. Vandaag hebben we het over 20,000. We weten nu bijvoorbeeld dat bananen, met hun 30,000-genen, hebben 50 procent meer genen dan wij.

Omdat onderzoekers nieuwe manieren bedenken om niet alleen de genen te tellen die een organisme heeft, maar ook de genen die overbodig zijn, is er een duidelijke convergentie tussen het aantal genen in wat we altijd hebben gezien als de eenvoudigste levensvormen - virussen - en de meest complexe - wij. Het is tijd om opnieuw na te denken over de vraag hoe de complexiteit van een organisme wordt weerspiegeld in zijn genoom.


innerlijk abonneren grafisch


gen nummersHet convergerende geschatte aantal genen in een persoon versus een gigantisch virus. De menselijke lijn geeft de gemiddelde schatting weer, waarbij de stippellijn het geschatte aantal benodigde genen aangeeft. Getallen weergegeven voor virussen zijn voor MS2 (1976), HIV (1985), reuzevirussen van 2004 en gemiddeld T4-nummer in de 1990s. Sean Nee, CC BY

De genen opsommen

We kunnen al onze genen samen zien als de recepten in een kookboek voor ons. Ze zijn geschreven in de letters van de basissen van DNA - afgekort als ACGT. De genen geven instructies over hoe en wanneer je de eiwitten moet assembleren waarvan je bent gemaakt en die alle functies van het leven in je lichaam uitvoeren. EEN typisch gen vereist over 1000-letters. Samen met de omgeving en ervaring zijn genen verantwoordelijk voor wat en wie we zijn - het is dus interessant om te weten hoeveel genen samen een heel organisme vormen.

Wanneer we het hebben over aantallen genen, kunnen we de werkelijke telling voor virussen weergeven, maar alleen de schattingen voor mensen om een ​​belangrijke reden. een uitdagen het tellen van genen in eukaryoten - waaronder wij, bananen en gist zoals Candida - is dat onze genen niet als eenden op een rij worden opgesteld.

Onze genetische recepten zijn gerangschikt alsof de pagina's van het kookboek allemaal zijn weggerukt en verward met drie miljard andere letters, ongeveer 50 procent waarvan eigenlijk geïnactiveerde, dode virussen beschrijven. Dus in eukaryoten is het moeilijk om de genen op te tellen die vitale functies hebben en ze te scheiden van wat vreemd is.

Daarentegen tellen genen in virussen - en bacteriën die kunnen hebben 10,000 genen - is relatief eenvoudig. Dit komt omdat het ruwe materiaal van genen - nucleïnezuren - relatief duur is voor kleine wezens, dus er is een sterke selectie om onnodige reeksen te verwijderen. De echte uitdaging voor virussen is om ze in de eerste plaats te ontdekken. Het is verrassend dat alles grote virusvondsten, inclusief HIV, zijn helemaal niet gemaakt door sequencing, maar door oude methoden zoals het visueel vergroten en kijken naar hun morfologie. Voortdurende vooruitgang in moleculaire technologie hebben ons het opmerkelijke geleerd diversiteit van de virosphere, maar kan ons alleen helpen de genen te tellen van iets waarvan we al weten dat het bestaat.

Bloeit met nog minder

Het aantal genen dat we eigenlijk nodig hebben voor een gezond leven is waarschijnlijk zelfs lager dan de huidige schatting van 20,000 in ons hele genoom. Een auteur van een recente studie heeft redelijk geëxtrapoleerd dat de telling voor essentiële genen voor de mens kan veel lager zijn.

Deze onderzoekers keken naar duizenden gezonde volwassenen, op zoek naar natuurlijk voorkomende "knockouts", waarin de functies van bepaalde genen ontbreken. Al onze genen komen in twee exemplaren - één van elke ouder. Gewoonlijk kan een actieve kopie compenseren als de andere inactief is en het moeilijk is om mensen te vinden zowel kopieën geïnactiveerd omdat geïnactiveerde genen van nature zeldzaam zijn.

Knockout-genen zijn vrij eenvoudig te bestuderen met laboratoriumratten, met behulp van moderne genetische manipulatietechnieken om beide kopieën van bepaalde genen van onze keuze te inactiveren, of zelfs helemaal te verwijderen en te zien wat er gebeurt. Maar voor menselijke studies zijn populaties nodig van mensen die in gemeenschappen leven met 21ST-eeuwse medische technologieën en bekende stambomen die geschikt zijn voor de vereiste genetische en statistische analyses. IJslanders zijn nuttig bevolking, en de Brits-Pakistaanse bevolking van deze studie is een andere.

Dit onderzoek vond plaats via 700-genen die kunnen worden uitgeschakeld zonder duidelijke gevolgen voor de gezondheid. Een verrassende ontdekking was bijvoorbeeld dat het PRDM9-gen - dat een cruciale rol speelt in de vruchtbaarheid van muizen - ook kan worden uitgeschakeld bij mensen zonder schadelijke effecten.

Extrapolatie van de analyse buiten de menselijke knockouts-studie leidt tot een schatting dat alleen menselijke 3,000-genen nodig zijn om een ​​gezond mens te bouwen. Dit zit in dezelfde marge als het aantal genen in "gigantische virussen. ' Pandoravirus, hersteld van 30,000-jaar oud Siberisch ijs in 2014, is het grootste virus dat tot op heden bekend is en heeft 2,500-genen.

Dus welke genen hebben we nodig? We weten niet eens wat een kwart van de menselijke genen eigenlijk doen, en dit is geavanceerd vergeleken met onze kennis van andere soorten.

Complexiteit komt voort uit het zeer eenvoudige

Maar of het uiteindelijke aantal menselijke genen 20,000 of 3,000 is of iets anders, het punt is dat als het gaat om het begrijpen van complexiteit, de grootte er echt niet toe doet. We kennen dit al lang in minstens twee contexten en beginnen nu pas het derde te begrijpen.

Alan Turing, de wiskundige en WWII-code-onderbreker vestigde de theorie van multicellulaire ontwikkeling. Hij bestudeerde eenvoudige wiskundige modellen, nu "reactie-diffusie" -processen genoemd, waarbij een klein aantal chemicaliën - slechts twee in Turing's model - diffuus zijn en met elkaar reageren. Met eenvoudige regels die hun reacties bepalen, deze modellen kan betrouwbaar genereren zeer complexe, maar toch samenhangende structuren die gemakkelijk te zien zijn. Dus de biologische structuren van planten en dieren vereisen geen complexe programmering.

Evenzo is het duidelijk dat de 100 biljoen verbindingen in het menselijk brein, wat ons echt maakt wie we zijn, kan onmogelijk genetisch individueel worden geprogrammeerd. De recente doorbraken in kunstmatige intelligentie zijn gebaseerd op neurale netwerken; dit zijn computermodellen van de hersenen waarin eenvoudige elementen - corresponderend met neuronen - hun eigen verbindingen tot stand brengen door interactie met de wereld. De de resultaten waren spectaculair in toegepaste gebieden zoals handschriftherkenning en medische diagnose, en Google heeft het publiek uitgenodigd om dit te doen speel spellen met en observeer de dromen van zijn AI's.

Microben gaan verder dan standaard

Het is dus duidelijk dat een enkele cel niet erg ingewikkeld hoeft te zijn voor grote aantallen van hen om zeer complexe uitkomsten te produceren. Het zou dus geen grote verrassing moeten zijn dat menselijke gengetallen van dezelfde grootte kunnen zijn als die van eencellige microben zoals virussen en bacteriën.

Wat als een verrassing komt, is het tegenovergestelde - dat kleine microben een rijk en complex leven kunnen leiden. Er is een groeiend studiegebied - "nagesynchroniseerd"sociomicrobiology"- dat onderzoekt de buitengewoon complexe sociale levens van microben, die opstaan ​​in vergelijking met de onze. Mijn eigen bijdragen in deze gebieden gaat het erom virussen hun rechtmatige plaats te geven in deze onzichtbare soapserie.

We zijn ons in het afgelopen decennium bewust geworden dat microben meer dan 90 procent van hun leven uitgeven als biofilms, dat het best als biologisch weefsel kan worden beschouwd. Inderdaad, veel biofilms hebben systemen van elektrische communicatie tussen cellen, zoals hersenweefsel, waardoor ze een model worden voor het bestuderen van hersenaandoeningen zoals migraine en epilepsie.

Biofilms kunnen ook worden gezien als "steden van microben, "En de integratie van sociomicrobiology en medisch onderzoek is dat snelle vooruitgang boeken op veel gebieden, zoals de behandeling van cystic fibrosis. De sociale leven van microben in deze steden - compleet met samenwerking, conflicten, waarheid, leugens en zelfs zelfmoord - is hard op weg het belangrijkste studiegebied in evolutionaire biologie in de 21ST eeuw te worden.

Net zoals de biologie van mensen steeds minder opmerkelijk wordt dan we hadden gedacht, wordt de wereld van microben veel interessanter. En het aantal genen lijkt er niets mee te maken te hebben.

Over de auteur

Sean Nee, hoogleraar Ecosysteemwetenschappen en management, Pennsylvania State University

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees de originele artikel.

Related Books:

at InnerSelf Market en Amazon