3D-modell av gjærsoppens genom

Modellen bygger på data for mer enn 65000 parvise interaksjoner mellom steder på kromosomene. Interaksjonene ble funnet ved at DNA i gjærcellene først ble kjemisk kryssbundet. Denne kryssbindingen er slik at det kun er områder på DNA som er svært nær hverandre som blir kryssbundet. Deretter blir de kryssbundne DNA-bitene isolert, og sekvensbestemt med den nyeste DNA-sekvensieringsteknologien. Mer en 2 millioner slike DNA-par ble identifisert, og de skriver seg altså fra ca 65000 interaksjoner.

Hver av interaksjonene  kan betraktes som en bit informasjon om avstander mellom to steder på genomet. Ved å betrakte alle disse avstandsbegrensningene samtidig, kunne man bygge en 3D-modell som passer til de observerte data.

Husk at modellen må betraktes som et gjennomsnitt fra millioner av celler over en 10-minutters periode (kryssbindingen foregikk i 10 minutter). Modellens “oppløsning” er ca 1000 basepar, – dvs. i samme område som enkeltgenenes lengde (typisk 1000-3000 basepar).

Modellen er i samsvar med tidligere kjente strukturelle trekk ved gjærgenomet. Et slikt trekk er at alle de 16 kromosomenes centromerer (kromosomenes “midtstykker”, – de som sikrer at hver dattercelle får et komplett sett kromosmer ved celledeling) er samlet innenfor et lite område i cellekjernen. På figuren er dette området midt i bildet. Hvert kromosome strekker seg så med sine to armer inn i cellekjernen (bakover i bildet). Dette kalles Rabl-konfigurasjonen, – og ble først beskrevet av Carl Rabl i 1885. Men den tredimensjonale modellen som er beskrevet her har mye mer informasjon i seg.  Nå vil vi og andre forskere kunne projisere andre egenskaper til gjærgenomet på denne 3D-modellen.  Mon tro hva vi kan få ut av det!

En lignende modell er laget for det humane genomet, men med langt lavere oppløsning (Lieberman-Aiden et al., Science, 2009).

Nøkkelinformasjon om gjærgenomet: Cellekjernen er 1,5-2 mikrometer i diameter, og genomet har 12,156,677 basepar og 6,275 gener, hvorav ca 5800 er antatt å være funksjonelle.

Hva forteller sekvensen om denne grønlenderen? Det var en mann, sannsynligvis med brune øyne og tykt, svart hår og med anlegg for å bli skallet. Men det forskerne egentlig var ute etter var å

Rekonstruksjon av den forhistoriske mannen 'Inuk' (av: Nuka Godfredtsen)

finne ut hvor denne mannen kom fra. Det ville ha vært nærliggende å tro at han kom fra en av folkegruppene som alt fantes i Nord-Amerkia? Men de genetiske analysene har tydelige vist at han hadde nærmest slektskap med folkegrupper som fantes i Nordøst-Sibir. Hans forfedre hadde altså vandret over Behringstredet, gjennom Nord-Amerika og over til Grønland, uten å ha blandet seg med de andre folkegruppene i Nord-Amerika.

Dette arbeidet er et gjennombrudd i sekvensiering av urgammel DNA. I fjor så vi en tilsvarende, dog ikke så omfattende, analyse av DNA fra en Neanderthaler. Det avgjørende nå er å finne levninger hvor DNA er godt bevart. Oppbevaring i permafrosten har åpenbart vært gunstig. Men er det også mulig å isolere sekvensierbar DNA fra levninger fra varmere strøk? Det er nå 15 år siden Svante Pääbo først lyktes med å isolere små mengder DNA fra en egyptisk mumie.

Rekonstruksjon av Neandertal pike (Anthropological Institute, University of Zürich; Wikimedia Commons)

På 200-årsdagen for Charles Darwin’s fødsel, annonserte Svante Pääbo (fra Max Planck-intituttet for komparativ antropologi i Leipzig) og hans kollegaer at de har utarbeidet første utkast til genomsekensen til Neandertaleren, – førtidsmennesket som ligner oss, Homo Sapiens, mest.

Fra før kjente vi genomet til flere arter aper, – og den nærmeste sekvensbestemte slektning har vært sjimpansen. Men det er mer enn 5 millioner år siden våres linje skilte lag fra den som ledet til dagens sjimpanser.

Neandertalerne levde sannsynligvis sammen med de tidlige menneskene fra ca 300.000 år siden, – men de døde ut for ca. 30.000 år siden. 

Pääbo og hans kollegaer har greidd å isolere DNA fra en Neandertaler funnet i Kroatia og – ved bruk av den mest moderne DNA-sekvensieringsteknologi - har de gjennomført en første “hurtig-sekvensiering” av dette genomet.  Dvs. de må bestemme sekvensen flere ganger før kvaliteten over det hele blir akseptabel. 

Men allerede nå kan man fastslå at:

- Neandertalerne hadde laktoseintoleranse, – en defekt i laktasegenet som gjør at man som voksen ikke tåler melk, – en genetisk variant som finnes hos ca. 5% av europeerer.

- Menneske og Neandertalerne har begge et nesten identisk FoxP2-gen, mens sjimpansene har en mutasjon i dette genet. Det har vært vist (også av Pääbo og hans mearbeidere) at FoxP2-genet er knyttet til evnen å kunne snakke.  Det er med andre ord ingen grunn, på dette grunnlag, å utelukke at Neandertalerne kan ha hatt språk.

Pääbo legger fram resultatene på AAAS-møtet i Chigaco, 15. februar 2009:

- Pressemelding

- Pressekonferanse

- Om Neandertalerne i Wikipedia

- Om Pääbo og instituttet i Leipzig.

Strukturmodell for GFP (Kilde: Wikipedia Commons)

Proteinet GFP har den bemerkelsesverdige egenskapen at det lyser grønt når det bestråles med ultrafiolett lys. Celler som uttrykker GFP kan derfor visualiseres under fluorescensmikroskop mens de er i live. Celle-og molekylærbiologene fusjonerer GFP til de proteinene de studerer, og kan da se hvor proteinene er og hvordan de beveger seg (les mer på wikipedia).

Siden 1994, da Chalfie og hans medarbeidre viste at GFP kan benyttes som merkelapp for genuttrykking i både dyr og bakterier, har GFP-teknologien blitt et av de viktigste verktøyene for forskere som ønsker å studere uttrykking og lokalisering av proteiner i levende celler.

Det var Shimomura som i 1962 først oppdaget GFP i den lille maneten Aequorea victoria. Proteinet er 238 aminosyrer langt og tre av aminosyrene, Serin-Tyrosin-Glycin, omdannes spontant til en såkkalt fluorofor, som altså aktiveres av UV-lys og sender ut grønt lys.

Tsien og hans medarbeidere bl.a. har brukt genteknologi til å lage varianter av GFP som lyser med forskjellige farger. Så i dag, har vi et helt “fargeskrin” til disposisjon når vi vil studere proteiner i cellene.

Titin har en viktig rolle i muskelfunksjon og det er så langt at det strekker seg tvers over muskelfilamentene (sarcomerene) – ca. 2 micrometer!  Proteinet har flere hundre globulære domener – og i den ene enden sitter ett katalytisk domene, – en kinase, – som kan fosforylere andre proteiner. 

mRNAet som koder for Titin er altså mer enn 100.000 nukleotider langt og det er beregnet at det tar ca. 30 minutter å lage ett Titin! 

Genet som koder for Titin har også en betydelig størrelse: ca. 380,000 basepar! – MEN, det er faktisk andre gener som er større. 

Hmm … mon tro hvor kort det korteste proteinet (og genet) er? – Kanskje du har noen kandidater!!! (obs: vi regner ikke korte nedbrytningsprodukter, – men lengden på proteinene slik de lages av ribosomene).

På SVs idéforum Verden til venstre skriver Thor Egil Braadland (27. august 2008): 

 ”Forskningsinnsatsen må ned.

Det brukes for mye penger på forskning i Norge. Forskningsinnsatsen bør reduseres med 1,5 mrd kroner.”

- Jøye meg! – Er dette virkelig representativt for SVs syn på forskning? Forhåpentligvis ikke. Forskningsminister Tora Aasland har ihvertfall ikke gitt slike signaler – så langt. Tvert i mot, ser det ut til at hun kjemper for forskningens sak i regjeringskollegiet. Stå på, Tora!

- Men det kan være grunn til å frykte at det er mange, både i SV og i andre politiske leirer, som deler Braadlands syn. Forskningsdirektør Ådne Cappelen i Statistisk sentralbyrå har også fremmet lignende tanker bl.a. i Forskerforum 8/2004:

“… hovedoppgaven til norske forskere er å ta i bruk andres verktøy – å være gode kopister”

- Går det an å være mer kortsiktig og defensiv? – og demotiverende?

- Det synet som de to herrer Braadland og Cappelen målbærer bygger tydeligvis på en idé om at kunnskap og forskningsresultater kan kjøpes – som hyllevare – når det trengs. Cappelen hevdet at norsk forskning ligger så langt etter at vi har nok med å kopiere forskning i andre land. Braadland mener det brukes for mye penger på forskning i Norge og at det er bedre å bruke ressursene på å skaffe oss kompetanse gjennom innkjøp av avansert produksjonsutstyr. 

- Ja, – vi ligger nok generelt langt etter. Men der vi har hatt fokusert og sterk innsats, er norsk forskning minst like god som i de land vi gjerne vil sammenligne oss med. Med vårt høye utdanningsnivå og sterke økonomi har vi all mulighet til å hevde oss godt på mange felt. Men det krever ikke bare å styre etter de mål som er gjennomsnitt i OECD- og EU-landene; – Norge har all grunn til å sette seg forskningsmål godt OVER dette. Og nå – mens vi enda kan flyte på inntektene fra olje og gass, – har vi muligheten til dette.  

- Det er lett å peke på de store spørsmål – som klimautfordringene og behovet for nye og rene energiformer – og de 8 høyverdige målene i FNs Tusenårsmål – og si at mesteparten av vår forskningsinnsats må dirigeres dit. Dette er vel og bra. Men det er nå engang slik i forskning at at man ikke bare kan sikte mot det og det målet og så håpe at man faktisk får det til. Dette kan i beste fall kalles utvikling. Historien har gang på gang vist oss at de banebrytende nyvinninger ofte kommer som sidespor til grunnleggende forskning som har ervervelse av ny kunnskap som hovedmål. Så er det også i genforskningen. Tro meg!  Det er dette de land som virkelig ligger fremst i forskning har skjønt. Når vil våre politikere innse dette?

- La oss samle oss om å løfte både utdanning og rekruttering til forskning og investere skikkelig i utstyr og forskningsinfrastruktur OG “gjøre alle de andre tingene også”  - for å sitere J. F. Kennedy, da han annonserte måneprogrammet. Mon om vi ikke trenger noen visjoner av det kaliber!

Ein 100 µm høg ormliknande mollusklarve. (Foto: Christiane Todt)

Gro hadde invitert studenter og forskere innen molekylærbiologi til å sende inn sine vakreste forskningsbilder. De 18 beste av de innsendte bildene ble stillt ut i Bergen Museum, sammen med arbeider fra de to kunstnerne Harald Kryvi og Gitte Sætre. 

Mange lar seg fascinere av de mange vakre strukturer som finnes i naturen, – også på celle- og molekylnivå. Mange forskere har også latt seg inspirere av det vakre i naturen når de har valgt sine forskningsobjekter. Nobelprisvinneren (fra 2001) Lee H. Hartwell sa f.eks.: «Vi bare beskriver naturens skjønnhet, og den blir ikke mindre vakker av den grunn».

Det var fantastisk stilig å se forskningsbildene i glass og ramme på store hvite vegger, sammen med kunstnernes arbeider.

Gro Bjerga og molekylART

Les også Gro sin kronikk i Dagbladet (25. september 2008) – og oppslag På Høyden (22. september 2008).

Vel, – forsøk å finne noen genforskere som vil si deg nøyaktig hvor mange gener mennesket har! Circa 30,000, vil de fleste si. Men du får ikke vite om det er 29,832 eller 32,118. Grunnen er at det er vanskelig å gi en presis definisjon av et gen.

Ikke det at vi ikke vet hva gener er. Vi vet tilogmed ganske mye om hvordan genene virker. Så – for ordens skyld, – her er en gen-definisjon som holder for de aller fleste av våre gener:

“Et gen er en del av et kromosom, et stykke DNA, som koder for et RNA-molekyl” (hentet fra GENsidene)

- og for de fleste gener blir RNA-molekylet gjort om til et mRNA som igjen koder for et protein. Så, for de fleste gener gjelder relasjonen “ett gen – ett protein”.

Når vi undersøker genomene til menneske og andre organismer, finner vi stadig nye unntak for denne enkle “ett gen – ett protein”-regelen. Et slikt unntak ble beskrevet av Fisher et al., i tidsskriftet Nature (25. september 2008): Hos nematoden Caenorhabditis elegans er leses de to nabogenene, eri-6 og eri-7, av i motsatt retning. Men, når RNA-transkriptene fra de to genene dannes, tvinnes de sammen i et lite område, og det dannes en kombi-mRNA, – og denne kombi-mRNAen koder for ett protein. Dette er altså et eksemple på at TO gener koder for ETT protein. Fenomenet kalles trans-splicing. Mer om det siden.

Men HVORFOR kan vi ikke gi et presist tall på antall gener i vårt genom? Den genetiske koden ble jo knekket på 60-tallet. Poenget er: mens den genetiske koden forklarer hvordan basesekvensen i mRNA oversettes av ribosomene til proteinsekvenser, – så vet vi fortsatt ikke nøyaktig hvordan DNA-sekvensene transkriberes til mRNA. Dvs. vi kjenner ikke mekanismene for avlesing av DNA til mRNA godt nok. Mer presist: vi kan ikke, – fra DNA-sekvensen alene, avgjøre hvor avlesingen av et gen starter.

De molekylære mekanismene som styrer hvor og hvor ofte et stykke DNA skal avleses er nøye regulert. Dette kalles genregulering. Det som gjør dette spørsmålet så vanskelig er at de ulike genene reguleres forskjellig.

Skjematisk tegning av et gen, et mRNA og proteinet det koder for.

Bildet illustrerer et gen hvor den delen som avleses (transkriberes) til mRNA er vist som en blå boks. mRNAen koder i neste omgang for et protein. De fargede firkantene foran og bak den transkriberte delen indikerer sekvenser i DNA hvor regulatoriske proteiner binder og regulerer genet.  Les mer om dette på GENsidene.

Det er i dag derfor vanlig å presisere definisjonen av et gen til 

“.. en del av et kromosom, et stykke DNA, som koder for et RNA-molekyl inkludert de omkringliggende regioner som er nødvendige for at genet skal uttrykkets korrekt i alle celler og til enhver tid”

Dette kalles ofte en transkripsjonsenhet - og er egentlig en god og “funksjonell” definisjon på et gen.

Regulatoriske sekvenser kan ligge langt ovenfor (eller nedenfor) den delen av genet som avleses, og det kan være andre gener i mellom. Slik vil flere gener kunne overlappe hverandre i utstrekning langs kromosomet. Dette gjør det naturligvis litt mer komplisert å gi en ren og pen definisjon av hvert enkelt gen. For de fleste gener kjenner vi på langt nær alle de regulatoriske sekvensene.

For å forstå hvordan vårt genom fungerer, må vi derfor finne både de generelle mekanismene for genregulering og de mekanismer som gjør at hvert enkelt av de ca. 30,000 genene våre reguleres korrekt. Dette er en formidabel oppgave og forskere over hele verden deltar. GENtidene vil følge dette forskningsfeltet i tiden framover.

Andre spørsmål reiser seg også: Hvor mange av våre gener er involvert i sykdom? Hvor mange gener er forskjellige mellom mennesker og våre nærmeste aper? – og hvilke av disse er det som bidrar til å gjøre menneskene forskjellige fra apene?