Hur många gener tar det att göra en person?

Hur många gener tar det att göra en person?De enkla byggstenarna i neuroner tillsammans skapar enorm komplexitet. UCI Research / Ardy Rahman, CC BY-NC

Vi människor tycker om att tänka på oss själva som på toppen av högen jämfört med alla andra levande saker på vår planet. Livet har utvecklats under tre miljarder år från enkla celliga varelser till multicellulära växter och djur som kommer i alla former och storlekar och förmågor. Förutom den växande ekologiska komplexiteten har vi, under livets historia, också sett utvecklingen av intelligens, komplexa samhällen och teknisk uppfinning tills vi kommer fram idag hos människor som flyger runt om i världen på 35,000-fötter som diskuterar film i flygning.

Det är naturligt att tänka på livets historia som framsteg från det enkla till komplexet, och förvänta sig att detta kommer att återspeglas i ökande genantal. Vi känner oss själva ledande med vårt överlägsna intellekt och globala dominans; förväntan var att eftersom vi är den mest komplexa varelsen skulle vi ha den mest utarbetade uppsättningen gener.

Denna presumtion verkar logisk, men ju fler forskare räknar ut om olika genomer, desto mer felaktigt verkar det. För ungefär ett halvt sekel sedan var det uppskattade antalet mänskliga gener i miljoner. Idag är vi nere på 20,000. Vi vet nu, till exempel, bananer, med deras 30,000-gener, har 50 procent mer gener än vi gör.

Som forskare tänker på nya sätt att räkna inte bara generna har en organism, men också de som är överflödiga, finns det en tydlig konvergens mellan antalet gener i det vi alltid har tänkt på som de enklaste livsformerna - virus - och det mest komplexa - oss. Det är dags att tänka på frågan om hur en organisms komplexitet återspeglas i dess genom.

gennummerDet konvergerande beräknade antalet gener i en person mot ett jättevirus. Mänsklig linje visar genomsnittlig uppskattning med streckad linje som representerar det beräknade antalet gener som behövs. Antal som visas för virus är för MS2 (1976), HIV (1985), jättevirus från 2004 och genomsnittligt T4-nummer i 1990. Sean Nee, CC BY

Att räkna upp generna

Vi kan tänka på alla våra gener tillsammans som recept i en kokbok för oss. De är skrivna i bokstäverna i DNA-baserna - förkortad som ACGT. Generna ger instruktioner om hur och när man monterar de proteiner som du är gjord av och som utför alla livets funktioner i din kropp. en typisk genen kräver om 1000-bokstäver. Tillsammans med miljön och erfarenheten är gener ansvariga för vad och vem vi är - så det är intressant att veta hur många gener som bidrar till en hel organism.

När vi pratar om antal gener kan vi visa det faktiska antalet virus, men bara beräkningarna för människor av en viktig anledning. Ett utmanar räkna gener i eukaryoter - som inkluderar oss, bananer och jäst som Candida - är det att våra gener inte är uppradade som ankor i rad.


Få det senaste från InnerSelf


Våra genetiska recept är ordnade som om kakebokens sidor har blivit rippade och blandat med tre miljarder andra bokstäver, om 50 procent av vilka faktiskt beskriver inaktiverade, döda virus. Så i eukaryoter är det svårt att räkna upp generna som har vitala funktioner och skilja dem från det som är främmande.

Däremot räknar gener i virus - och bakterier som kan ha 10,000 gener - är relativt lätt. Detta beror på att råmaterialet av gener - nukleinsyror - är relativt dyrt för små varelser, så det finns starkt val för att radera onödiga sekvenser. Den verkliga utmaningen för virus är faktiskt att upptäcka dem i första hand. Det är fantastiskt att allt stora virusfynden, inklusive HIV, har inte gjorts genom sekvensering alls, men genom gamla metoder som att förstora dem visuellt och titta på deras morfologi. Fortsatta framsteg i molekylär teknik har lärt oss det anmärkningsvärda mångfalden av virosfären, men kan bara hjälpa oss att räkna generna av något vi redan vet existerar.

Blomstra med ännu färre

Antalet gener som vi faktiskt behöver för ett hälsosamt liv är förmodligen ännu lägre än den nuvarande uppskattningen av 20,000 i hela vårt genom. En författare till en ny studie har rimligen extrapolerat att räkningen för väsentliga gener för människor kan vara mycket lägre.

Dessa forskare tittade på tusentals friska vuxna, letar efter naturligt förekommande "knockouts" där funktionerna hos vissa gener är frånvarande. Alla våra gener kommer i två exemplar - en från varje förälder. Vanligtvis kan en aktiv kopia kompensera om den andra är inaktiv, och det är svårt att hitta personer med båda kopior inaktiveras eftersom inaktiverade gener är naturligt sällsynta.

Knockoutgener är ganska lätta att studera med labratter, med hjälp av moderna genteknikstekniker för att inaktivera båda kopior av specifika gener av vårt val, eller till och med ta bort dem helt och se vad som händer. Men mänskliga studier kräver befolkningar av människor som bor i samhällen med medicinsk teknik från 21-talet och kända stamtavlor som är anpassade till de genetiska och statistiska analyserna som krävs. Islänningar är ett användbart befolkningen och den brittisk-pakistanska befolkningen i denna studie är en annan.

Denna undersökning fann över 700-gener som kan slås ut utan några uppenbara hälsoeffekter. Till exempel var en överraskande upptäckt att PRDM9-genen - som spelar en avgörande roll i musens bördighet - också kan slås ut hos människor utan illamående.

Extrapolerar analysen utöver den mänskliga knockouts-studien leder till en uppskattning att bara 3,000 mänskliga gener verkligen behövs för att bygga en hälsosam människa. Detta ligger i samma ballpark som antalet gener i "jättevirus. " Pandoravirus, återhämtad från 30,000-årig sibirisk is i 2014, är det hittills största viruset och har 2,500-gener.

Så vilka gener behöver vi? Vi vet inte ens vad en fjärdedel av mänskliga gener faktiskt gör, och detta är avancerat jämfört med vår kunskap om andra arter.

Komplexiteten härrör från det mycket enkla

Men huruvida det slutliga antalet mänskliga gener är 20,000 eller 3,000 eller något annat, är meningen att när det gäller att förstå komplexitet, spelar storleken ingen roll. Vi har känt detta länge i minst två sammanhang, och börjar bara förstå den tredje.

Alan Turing, matematiker och WWII kodbrytare etablerade teorin om multicellulär utveckling. Han studerade enkla matematiska modeller, nu kallade "reaktionsdiffusion" -processer, där ett litet antal kemikalier - bara två i Turing-modellen - diffunderar och reagerar med varandra. Med enkla regler som reglerar deras reaktioner, dessa modeller kan på ett tillförlitligt sätt generera mycket komplexa, men sammanhängande strukturer som lätt ses. Så de biologiska strukturerna hos växter och djur kräver inte komplicerad programmering.

På samma sätt är det uppenbart att 100 trillionanslutningar i människans hjärna, som är det som verkligen gör oss vem vi är, kan inte vara genetiskt programmerade individuellt. De senaste genombrott i artificiell intelligens är baserad på neurala nätverk; Det här är hjärnans datormodeller där enkla element - som motsvarar neuroner - skapar sina egna kontakter genom att interagera med världen. De resultaten har varit spektakulära i tillämpade områden som handskriftsigenkänning och medicinsk diagnos, och Google har bjudit allmänheten till spela spel med och observera drömmarna av dess AI.

Mikrober går utöver det grundläggande

Så det är klart att en enda cell inte behöver vara mycket komplicerad för ett stort antal av dem för att producera mycket komplexa resultat. Därför borde det inte komma som en stor överraskning att mänskliga gental kan vara av samma storlek som de hos encelliga mikrober som virus och bakterier.

Vad som kommer som en överraskning är det omtalade - att små mikrober kan ha rika, komplexa liv. Det finns ett växande studieområde - dubbed "sociomicrobiology"- som undersöker de extremt komplicerade sociala liven hos mikrober, vilka står upp i jämförelse med våra egna. Mina egna bidrag till dessa områden gäller att ge virus sin rättmätiga plats i denna osynliga tvålopera.

Vi har blivit medvetna under det senaste decenniet att mikrober spenderar över 90 procent av deras liv som biofilmer, vilket bäst kan ses som biologisk vävnad. Faktum är att många biofilmer har system av elektrisk kommunikation mellan celler, som hjärnvävnad, vilket gör dem till en modell för att studera hjärnans sjukdomar som migrän och epilepsi.

Biofilmer kan också ses som "städer av mikrober, "Och integrationen av sociomicrobiology och medicinsk forskning är gör snabba framsteg på många områden, såsom behandling av cystisk fibros. De sociala liv hos mikrober i dessa städer - komplett med samarbete, konflikt, sanning, lögner och jämn självmord - blir snabbt det stora studieområdet i evolutionärbiologi i det 21-talet.

Precis som människans biologi blir starkt mindre enastående än vi trodde, blir mikrobervärlden mycket intressantare. Och antalet gener verkar inte ha något att göra med det.

Om författaren

Sean Nee, forskningsprofessor i ekosystemvetenskap och -ledning, Pennsylvania State University

Den här artikeln publicerades ursprungligen den Avlyssningen. Läs ursprungliga artikeln.

Relaterade böcker:

{AmazonWS: searchindex = Böcker, nyckelord = mikrober; maxresults = 3}

enafarzh-CNzh-TWnltlfifrdehiiditjakomsnofaptruessvtrvi

följ InnerSelf på

facebook-icontwitter-iconrss-icon

Få det senaste via e-post

{Emailcloak = off}