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Genomsequenzierung von Mensch und Schimpanse

Genomsequenzierung von Mensch und Schimpanse


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Kann jemand diesen Artikel kommentieren, der behauptet, dass Biologen die Massen irregeführt haben, wenn sie das Genom von Menschen und Schimpansen vergleichen https://yaqeeninstitute.org/daniel-haqiqatjou/can-islam-object-to-evolution/


Ich kann kommentieren.

Aus deinem Artikel:

Ist die Genomähnlichkeit von 99% zwischen Mensch und Schimpanse weniger beeindruckend, wenn man bedenkt, dass Hauskatzen 90% ihrer Gene mit Menschen teilen und Hefen über 30% ihrer Gene mit uns teilen usw.? Was sollen wir von diesen verschiedenen quantitativen Vergleichen halten? In der Realität ist es schwierig, diese Prozentsätze ohne eine einheitliche Metrik als Referenz zu verstehen. Leider bieten die biologischen Wissenschaften keine.

Die Öffentlichkeit wurde nicht irregeführt. Tatsache ist, dass Schimpansen und Menschen 99% ihrer Gene teilen. Die sich ausruhen ist Auslegung. Die sich ausruhen ist eine Extrapolation. Die sich ausruhen ist Philosophie.

Als Biologe überrascht es mich nicht, dass wir einen Großteil unseres Genoms mit Katzen, Regenwürmern und sogar Hefe teilen. Das tun wir vermutlich, weil erfolgreiches Leben auf dem Planeten Erde bestimmte biologische Prozesse erfordert, die geteilt werden. Wir leben in einer Stickstoff-Sauerstoff-Atmosphäre; wir haben kohlenstoffbasierte Energiequellen; wir brauchen ähnliche Enzyme, um Sauerstoff und Kohlenstoff usw.

Darüber hinaus haben Wissenschaftler Meinungen, die sie teilen. Aber niemand zwingt Sie, einer bestimmten Interpretation zu glauben. Ich glaube zufällig an das, was am sinnvollsten ist. Sie können an das glauben, was weniger Sinn macht, wenn Sie es vorziehen. Gab es Falschangaben? Absolut, aber das liegt oft daran, dass Journalisten, die die Informationen weitergeben, sie falsch verstehen. Eine der am meisten missverstandenen Papiere, die ich gesehen habe, ist Geschlechtsunterschiede in der grauen und weißen Substanz des Gehirns bei gesunden jungen Erwachsenen: Korrelationen mit der kognitiven Leistung von Ger et al. Es wurde in der Laienpresse wiederholt und weitgehend ungenau dargestellt, teilweise (oder vielleicht ganz), weil es kein besonders gut geschriebenes Papier ist, obwohl die Wissenschaft darin solide ist.

Gib der Wissenschaft nicht die Schuld für irgendeinen Glauben, nur weil du willst, dass sie etwas anderes sagt.


Brunnen. Wissenschaft ist eine lustige Sache, verglichen mit dem Koren, der Bibel oder jedem anderen religiösen Text. Wenn Wissenschaftler mehr erfahren, wird sich die Erzählung in Science ändern. Im Jahr 1800 gab es zum Beispiel die Vorstellung, dass es auf Kanälen und Gräben und dergleichen im März freies Folgewasser gab. In den 1960er Jahren galt der Mars als knochentrocken. Niemals Wasser. Ein trostloses Ödland. In den 1990er Jahren dachte Mar, dass es Wasser gibt, aber erst vor 3 Milliarden Jahren. Jetzt kein Wasser. Dann, in den 2010er Jahren, wird angenommen, dass es unter der Oberfläche Wassereis hat, das sich unter seltenen Bedingungen gelegentlich in frei fließendes Wasser verwandeln kann. Und das Schlimmste noch, bis vor kurzem… vielleicht wurden all diese Merkmale der jüngsten Fließgewässer durch das Ausgasen von CO2 verursacht… Konflikt um grundlegende Interpretation.

In dieser Zeit hat sich der Religionstext, während über den Mars geschwiegen wird, wenn überhaupt nicht viel geändert. Der religiöse Text ist gleich geblieben.

Hat die Wissenschaft also die Massen auf dem Mars in die Irre geführt? Hat der Mars Wasser? Ja oder Nein? Die Wissenschaft flip-floppt weiter.

In gewisser Weise hat die Wissenschaft die Öffentlichkeit irregeführt. Es war nicht mit einer einzigen Botschaft am Ziel, anders als beispielsweise ein religiöses Lehrbuch, das seit etwa tausend Jahren die gleiche unveränderliche Botschaft vermittelt.

Wenn Sie also eine konsistente Nachricht suchen, ist Science übrigens nicht das Richtige für Sie. Wissenschaft neigt dazu, unterschiedliche Geschichten zu erzählen, wenn Wissenschaftler mehr lernen, neue Techniken erlernen, Ideen neu bewerten und im Allgemeinen miteinander kämpfen. Die heiligen Männer der Wissenschaft rezensieren gerne, schreiben ihren heiligen Text ziemlich oft um und kämpfen. Und das mag der Normalbürger als unbefriedigend und vielleicht besorgniserregend empfinden. Wenn heilige Männer den heiligen Text ständig ändern, wie werden dann die einfachen Leute anbeten? Ist die Wissenschaft real? Denn es ändert sich, wenn sich der heilige Text vieler Weltreligionen seit Jahrhunderten oder gar Jahrtausenden nicht geändert hat.

Also zurück zum Artikel… die prozentuale Ähnlichkeit des menschlichen Genoms mit dem des Schimpansen ändert sich mit der Verbesserung der Techniken. Wenn Sie sich das tatsächliche Alter der in diesem Artikel verwendeten Zitate ansehen … wir gehen von Papieren aus den 1970er Jahren aus, bevor die Genomsequenzierung verfügbar war, und die Ideen von einem Gen-eins-Protein waren, wie die Wissenschaft dachte, dass DNA funktioniert, sowie Karyotypisierung und Chromosomenbandierung war ungefähr das einzige Mittel, um einen groß angelegten Chromosomenvergleich anzustellen… mit Papieren aus dem Jahr 2014. Wo wir wissen, dass DNA mehr als nur Proteine ​​kodiert und Nicht-DNA-Kodierung kein Müll ist, sondern RNA mit biochemischer Aktivität kodieren kann (Genregulation, Transkriptionsfaktor-Regulierung .) etc). Und ganze menschliche Genome können für weniger als 1.400 US-Dollar sequenziert werden, obwohl es ursprünglich 2,7 Milliarden US-Dollar kostete.

Das sind fast 50 Jahre Veränderung und Entwicklung. Von der Zeit, bevor das Internet und Taschenrechner ernsthafte Geschäftsmaschinen im Wert von Tausenden von Dollar waren, bis zu einer Zeit, in der Sie einen Supercomputer aus den 1980er Jahren als Armbanduhr haben können.

Also ja… die Nachricht ändert sich. Die Wissenschaft schreitet voran, Techniken, die sich frühere Wissenschaftlergenerationen nur vorstellen konnten, sind zur Routine geworden. Wir haben mehr gelernt… RNA ist nicht nur ein Mittelsmann zwischen DNA und Protein. Ein Gen kann viele Proteine ​​hervorbringen.

Wurden die Massen in die Irre geführt?

Wissenschaftler geben der Masse Informationen nach bestem Wissen und Gewissen weiter. Und wenn die aktuelle Generation von Wissenschaftlern (2014-Wissenschaftler) sagt, dass die vergangene Generation (1970er-Wissenschaftler) falsch oder nicht ganz richtig lag … Wenn Wissenschaftler derzeit nicht über die beste Matrix verfügen … ist das irreführend?

Ein wissenschaftliches Buch ist nicht so sicher wie ein religiöser Text. Und einer der schlimmsten Täter ist die Biologie. Ein Biologie-Lehrbuch aus den 1980er Jahren sieht ganz anders aus als 2010er Jahre, auch wenn sie aus derselben Reihe stammen. Ist das irreführend oder ist das wissenschaftlicher Fortschritt?

PS: Gemeinsame Gene und Sequenzidentität sind nicht gleich. In dem Artikel herrscht etwas Verwirrung. Eine Katze und ein Mensch können viele, viele Gene gemeinsam haben. Aber diese gemeinsamen Gene können Sequenzunterschiede zwischen ihnen aufweisen. Man kann also sagen, dass Mensch und Katze 90% (erfundenes Beispiel) ihres Gens teilen (dh sowohl Katze als auch Mensch haben das PTEN-Gen), aber nur 70% (erfundenes Beispiel) Sequenzidentität haben (dh es gibt mehrere DNA-Unterschiede zwischen den menschliches PTEN-Gen und das Katzen-PTEN-Gen). Es ist leicht, die beiden zu verwechseln.

Denken Sie auch nur an genkodierende DNA? Oder denken Sie auch an die nicht kodierende DNA (die bis zur billigen Genomsequenzierung in den 2010er Jahren extrem schwierig zu erfassen und zu sequenzieren war)


Wie ähnlich sind sich die Genome von Mensch und Schimpanse?

Ich habe vor kurzem an einer Diskussion im Biologos-Forum über den Grad der Ähnlichkeit zwischen dem menschlichen und dem Schimpansen-Genom teilgenommen. Ich wurde von Dennis Venema nach meiner aktuellen Meinung zu diesem Thema gefragt, der online ein altes Zitat aus einem Zeitungsartikel gefunden hatte, den ich 2008 zu diesem Thema geschrieben hatte. Im Jahr 2008 habe ich in einigen Zeitungsartikeln einige einfache Berechnungen auf der Grundlage des Chimpanzee-Genompapiers von 2005 durchgeführt. Auf dieser Grundlage war ich zu dem überraschenden Schluss gekommen, dass diese Daten darauf hindeuteten, dass die Genome von Mensch und Schimpanse in ihrer Gesamtheit nur zu 70 % identisch sein könnten. Dennis Venema fragte mich, ob das immer noch meine Ansicht sei. Die ganze Diskussion können Sie hier lesen. Es ist ziemlich lang, mit vielen tangentialen Beiträgen. Wenn Sie eine kurze Zusammenfassung meiner Perspektive wünschen, hier ist meine abschließende Schlusserklärung (die ich ursprünglich hier gepostet habe):

„Wie ähnlich sind sich die Genome von Mensch und Schimpanse?“ ist eine relativ einfache wissenschaftliche Frage. Wir werden durch die immer noch etwas unvollständige Natur sowohl des menschlichen als auch des Schimpansen-Referenzgenoms behindert, aber wir können dies in unseren Bewertungen deutlich machen und die damit verbundenen Unsicherheiten berücksichtigen.

Der beste Weg, um die Ähnlichkeit zweier Genome zu beurteilen, besteht darin, vollständige Genomanordnungen beider Arten, die unabhängig voneinander zusammengestellt wurden, zu nehmen und sie aneinander anzuordnen. Der Alignment-Prozess beinhaltet das Durchsuchen der Inhalte der beiden Genome gegeneinander. Teile beider Genome, die zu unterschiedlich sind, um zueinander zu passen, fehlen im Alignment, es sei denn, sie sind sehr kurz in der Ausrichtung fehlen). In Teilen, die sich ausrichten, wird es einige Fehlpaarungen zwischen den beiden Genomen geben, bei denen sich ein oder wenige Nukleotide unterscheiden, die wir in dieser Diskussion „SNPs“ genannt haben. Darüber hinaus wird es einige Teile jedes Genoms geben, die in einem Genom zweimal oder mehrfach vorhanden sind und in dem anderen Genom seltener vorhanden sind. Wir haben diese als „Paraloge“ oder „Kopie-Zahl-Varianten“ (CNVs) bezeichnet. Um eine genaue Zahl der Ähnlichkeit der Gesamtheit zweier Genome zu erhalten, müssen wir all diese Arten von Unterschieden berücksichtigen.

Wenn wir über die Ähnlichkeit zwischen zwei Genomen sprechen, möchten wir uns für einige Zwecke vielleicht nur auf eine Art von Unterschied konzentrieren, wie z. B. SNPs. Wenn wir dies tun, sollten wir immer angeben, welche Arten von Unterschieden wir haben und welche nicht berücksichtigt wurden. Die bekanntesten Schätzungen zur Ähnlichkeit der Genome von Mensch und Schimpanse berücksichtigen nur SNPs und kleine Indels. Kopienzahlvarianten sind seltener enthalten, und Regionen der beiden Genome, die nicht übereinstimmen, werden häufig ignoriert.

Bei der Bewertung der Gesamtähnlichkeit des menschlichen Genoms mit dem Schimpansengenom müssen wir auch bedenken, dass ungefähr 5 % des menschlichen Genoms noch nicht vollständig zusammengesetzt sind. Daher können wir für diese 5 % am besten vorhersagen, wie ähnlich es wird das Schimpansen-Genom sein. Wir wissen es noch nicht genau. Der Zusammenbau des Schimpansen-Genoms ist weniger gut zusammengesetzt, sodass wir in Zukunft möglicherweise Teile des Schimpansen-Genoms zusammenbauen, die dem menschlichen Genom ähnlich sind – dies ist eine weitere Quelle der Unsicherheit, die es zu beachten gilt.

Um die genaueste aktuelle Einschätzung der Ähnlichkeit des menschlichen und des Schimpansen-Genoms zu erstellen, habe ich von der UCSC-Genomik-Website die neuesten (mit der LATZ-Software erstellten) Abgleiche zwischen den menschlichen und Schimpansen-Genom-Assemblies, hg38 und pantro6, heruntergeladen . Siehe Diskussionsbeitrag #35 für Details. Daraus ergab sich für das menschliche Genom:

4,06 % hatten keine Ausrichtung zur Schimpansenanordnung
5,18 % waren in CNVs im Vergleich zu Schimpansen
1,12 % unterschieden sich aufgrund von SNPs in den eins-zu-eins am besten ausgerichteten Regionen
0,28 % unterschied sich aufgrund von Indels innerhalb der eins-zu-eins am besten ausgerichteten Regionen

Der Prozentsatz der Nukleotide im menschlichen Genom, die im Schimpansen-Genom eine Eins-zu-Eins-Übereinstimmung aufwiesen, betrug 84,38 %.

Um zu beurteilen, wie Verbesserungen in Genom-Assemblies diese Zahlen ändern können, habe ich die gleichen Analysen zum Alignment der älteren PanTro4-Assembly gegen Hg38 durchgeführt (siehe Diskussionsbeitrag #40). Die Pantro4-Assembly basierte auf einer viel geringeren Sequenzierung als die Pantro6-Assembly (siehe Diskussionsbeitrag Nr. 39). In dieser Pantro4-Ausrichtung:

6,29% hatten keine Ausrichtung zur Schimpansenanordnung
5,01% waren in CNVs im Vergleich zu Schimpansen
1,11% unterschieden sich aufgrund von SNPs in den eins-zu-eins am besten ausgerichteten Regionen
0,28 % unterschied sich aufgrund von Indels innerhalb der eins-zu-eins am besten ausgerichteten Regionen

Der Prozentsatz der Nukleotide im menschlichen Genom, die eine exakte Eins-zu-eins-Übereinstimmung im Schimpansengenom aufwiesen, betrug 82,34 %.

Somit hat die große Verbesserung des Schimpansen-Genomzusammenbaus zwischen PanTro4 und PanTro6 zu einer Zunahme der nachgewiesenen CNVs und einer Abnahme der nicht-ausrichtenden Regionen geführt. Es hat nur die Eins-zu-Eins-Übereinstimmungen von 82,34 % auf 84,38 % erhöht, obwohl die Genomanordnung der Schimpansen in PanTro6 mindestens 8 % vollständiger ist (glaube ich).

Die PanTro4-Assembly wurde auch mit der Software Mummer 4 auf das menschliche Genom ausgerichtet (berichtet in: Marçais, Guillaume, et al. „MUMmer4: A fast and vielseitig geomealign system.“ PLoS Computational Biology 14.1 (2018): e1005944). Diese Methode liefert weitgehend ähnliche Zahlen wie meine Analysen der UCSC-LASTZ-Alignments. MUMmer platziert 2,782 Gb der Sequenz in gegenseitig besten Alignments, und die Gesamtlänge des LASTZ-Alignments beträgt 2,761 Gb. In der MUMmer-Analyse stimmten ungefähr 306 Mb (9,91 %) der menschlichen Sequenz nicht mit der Schimpansensequenz in gegenseitigen besten Ausrichtungen überein. Dies passt gut zum LASTZ-Ergebnis von 6,29 % nicht ausgerichtet plus 5,01 % CNV = 11,30 % nicht ausgerichtet. Insgesamt war die MUMer-Software beim Abgleichen der Genome von Mensch und Schimpanse etwas großzügiger, aber wie Steve Schaffner [hier] betonte, gibt MUMer eine höhere Schätzung der SNP-Unterschiede innerhalb seiner Abgleiche an. Dies ist wahrscheinlich ein Signal dafür, dass die beiden Genome zu stark ausgerichtet sind und einige seiner Ausrichtungen falsch sind. Daher denke ich, dass wir am besten dem LASTZ-Alignment gegenüber dem MUMer-Alignment vertrauen, obwohl der Unterschied zwischen den Ergebnissen der beiden Methoden eher gering ist.

Da 5 % des menschlichen Genoms noch nicht zusammengesetzt sind und 5 % relativ zu Schimpansen CNVs sind und 4 % nicht mit dem Schimpansengenom ausgerichtet sind, kann ich Dennis Venema [hier] und Steve Schaffner [hier] nicht zustimmen, dass „95 % ist die beste Schätzung, die wir für die genomweite Identität von Schimpansen und Menschen haben“. Ich würde 95 % als Voraussage akzeptieren, aber nicht als Tatsachenfeststellung.

Ich sage voraus, dass sich die 95%-Zahl als falsch erweisen wird, denn (auf der Grundlage meines Vergleichs der PanTro4- und PanTro6-Ausrichtungen mit Hg38) denke ich, dass die CNV-Unterschiede bestehen bleiben, und ich bezweifle, dass alle derzeit nicht ausgerichteten oder nicht sequenzierte Regionen des menschlichen Genoms werden sich als alle zu 95 % mit dem Schimpansen-Genom übereinstimmen. Einige der „nicht ausgerichteten“ menschlichen Sequenzen sind mittelgroße Indels, und es ist schwer zu verstehen, warum sie nicht im Schimpansen zusammengebaut worden wären, wenn sie vorhanden wären. Ich erwarte auch, dass sich zumindest einige dieser nicht ausgerichteten oder nicht sequenzierten Sequenzen schnell weiterentwickeln.

Im Jahr 2008 schrieb ich: „Ich sage voraus, dass die Gesamtähnlichkeit des menschlichen Genoms, wenn wir ein zuverlässiges, vollständiges Schimpansen-Genom haben, bei fast 70 % (und sehr weit von 99 %) liegen wird.“ Diese Vorhersage wird durch die neueren Daten oben nicht bestätigt. Ich habe bei meinen Berechnungen von 2008 einen Fehler im Umgang mit CNVs gemacht, der mich um 2,7 % ausfiel, aber dies war nur ein kleiner Teil der Gründe, warum meine Schätzung so niedrig war. Der Hauptgrund, warum meine Schätzung so niedrig war, lag darin, dass ich der Meinung war, dass der Aufbau des Schimpansen-Genoms von 2005 viel vollständiger war, als es tatsächlich war. Dies lag daran, dass die Autoren im Haupttext des Schimpansenpapiers behaupteten, “der Entwurf des Genoms…

94% des Schimpansen-Genoms mit >98% der Sequenz in hochwertigen Basen.“ Dank der Diskussion in diesem Thread mit Steve Schaffner (siehe Beitrag #62, #63 und andere in der Diskussion), der einer der Autoren des Schimpansengenom-Papiers von 2005 war, kann ich jetzt sehen, dass der Entwurf des Genom-Assemblys von 2005 nicht so war gut, wie diese Behauptung suggerierte. 2008 wusste ich dies jedoch nicht, und meine Vorhersage wurde in gutem Glauben auf der Grundlage meines Verständnisses des Papiers von 2005 gemacht.


Der Makaken und die menschliche Evolution

Eine der Hoffnungen und Rechtfertigungen für die Sequenzierung des Schimpansen-Genoms war, dass wir damit die genetischen Veränderungen identifizieren könnten, „die uns menschlich machen“. Als die Genomsequenzen von Schimpansen verfügbar wurden, erschienen schnell Veröffentlichungen, die nach einzigartigen genetischen Veränderungen entlang der menschlichen Abstammungslinie suchten, nachdem wir uns von Schimpansen getrennt hatten. In Ermangelung anderer Genomsequenzen von Primaten wurde die Maus zum Vergleich mit Schimpanse und Mensch verwendet [3]. Angesichts der relativ tiefen evolutionären Divergenz der Maus- und Primaten-Linien in der Größenordnung von mindestens 70 Millionen Jahren könnten jedoch so viele Veränderungen entweder entlang der Maus-Linie oder auf dem langen Ast stattgefunden haben, der zum gemeinsamen Vorfahren des Menschen führt und Schimpansen, die wir nicht mit großer Sicherheit abschätzen können, welches Nukleotid an irgendeiner Position in diesem Vorfahren vorhanden war. Daher waren wir nicht in der Lage, vernünftig abzuschätzen, ob ein bestimmter Unterschied zwischen dem Schimpansen- und dem menschlichen Genom in der menschlichen Abstammungslinie oder in der Schimpansen-Linie aufgetreten war (Abbildung 1). Mit dem Makaken-Genom als Vergleich können wir nun aber Veränderungen einer Abstammungslinie viel zuverlässiger zuordnen, da die Wahrscheinlichkeit konvergenter Veränderungen viel geringer ist als bei der Maus.

Der Makaken ist eine bessere Fremdgruppe als die Maus, um die Geschichte von Sequenzänderungen in menschlichen und Schimpansen-Genomen abzuleiten. (ein) Die skalierte Phylogenie von Primaten in Bezug auf die Maus. Über lange Evolutionsperioden hinweg treten wahrscheinlich mehrere Mutationen an derselben Position im Genom auf, wodurch die wahre Evolutionsgeschichte dieser Basis verschleiert wird. Dies wird hier durch die Änderung des anfänglichen T zu einem C und später zu einem A im Mausgenom und der Änderung vom T zu einem G in der Primatenlinie und später zu einem A nur in der Schimpansenlinie angezeigt. (B) Wird bei einem Vergleich der Genome von Mensch und Schimpanse eine entfernt verwandte Spezies (die Maus) als Fremdgruppe verwendet, kann dies zu der irrigen Schlussfolgerung führen, dass eine einzigartige Mutation entlang der menschlichen Abstammungslinie aufgetreten ist, wie in der Abbildung links gezeigt . Wenn die Genome mit einer näher verwandten Fremdgruppe (dem Makaken) verglichen werden, zeigt sich die wahrscheinlichere Geschichte dieses Unterschieds, wie in der Abbildung rechts gezeigt.

Screenings auf positiv selektierte Veränderungen zwischen Schimpansen und Menschen unter Verwendung des Mausgenoms als Fremdgruppe deuteten zunächst darauf hin, dass ausgewählte Veränderungen in der menschlichen Abstammungslinie zahlreicher waren als in der Schimpansen-Linie [3]. Andere Studien fanden eine möglicherweise beschleunigte Änderungsrate in konservierten nicht-kodierenden Regionen in der menschlichen Abstammungslinie [4]. Diese Beobachtungen wurden bereitwillig akzeptiert, zum Teil, weil sie unsere von Natur aus anthropozentrische Sichtweise unterstützten, dass der Mensch etwas Besonderes ist und es daher eine molekulare Signatur unserer Einzigartigkeit geben sollte. Neuere Analysen, die die näher verwandten Makaken als Fremdgruppe verwenden, legen jedoch nahe, dass tatsächlich eine größere Anzahl von positiv selektierten Veränderungen entlang der Schimpansenlinie stattgefunden hat, sodass der Mensch aus genomischer Sicht die „primitivere“ Art ist [5, 6 ]. Dies ist etwas überraschend, wenn man bedenkt, dass die Skelette unserer 5-6 Millionen Jahre alten Vorfahren insgesamt bemerkenswert schimpansenähnlich aussehen. In Bezug auf unser extrem großes und komplexes Gehirn schlugen Studien mit der Maus als Fremdgruppe eine beschleunigte Evolutionsrate der Gene des Nervensystems beim Menschen vor [7]. Aber es überrascht vielleicht nicht mehr, dass eine kürzlich durchgeführte Studie mit dem Genom von Makaken zum Vergleich zeigte, dass sogar Gene, die spezifisch im Gehirn exprimiert werden, beim Menschen nicht stärker selektiert werden als bei Schimpansen [8]. Daher kennen wir die molekularen Grundlagen für die Evolution des einzigartig großen menschlichen Gehirns immer noch nicht.

Das Genom des Makaken hat auch auf andere Weise unserem Verständnis des menschlichen Genoms geholfen. Zum Beispiel beinhaltet die Methode, die als "phylogenetisches Shadowing" bezeichnet wird, den Vergleich von DNA-Sequenzen über mehrere Arten hinweg, um konservative Sequenzblöcke aufzudecken. Solche konservierten Regionen können mutmaßliche Exons, regulatorische Elemente oder anderweitig funktionell signifikant sein [9, 10]. Durch den Vergleich von Sequenzen eng verwandter Arten (z. B. zwischen Primaten und nicht eindeutig verwandten Tieren) können die seltenen Veränderungen innerhalb dieser „am wenigsten variablen“ Regionen die kritischen Mutationen hervorheben, die eine Art einzigartig machen.


DNA-Analysen bei Schimpansen und Menschen zeigen auffallende Unterschiede in den Genen für Geruch, Stoffwechsel und Hören

Fast 99 Prozent gleich in der genetischen Ausstattung, Schimpansen und Menschen könnten sich noch ähnlicher sein, wenn es nicht die Veränderungen im Lebensstil gäbe, die Forscher in den 6 Millionen Jahren, die uns von einem gemeinsamen Vorfahren trennen, nennen. Zwei wesentliche Unterschiede bestehen insbesondere darin, wie Menschen und Schimpansen Gerüche wahrnehmen und was wir essen.

Ein umfangreiches Genvergleichsprojekt, an dem zwei Wissenschaftler der Cornell University beteiligt waren und über das in der neuesten Ausgabe der Zeitschrift berichtet wurde Wissenschaft (12. Dezember 2003), fanden diese und viele andere Unterschiede bei der Suche nach Beweisen für eine beschleunigte Evolution und positive Selektion in der genetischen Geschichte von Mensch und Schimpanse.

Im bisher umfassendsten Vergleich der genetischen Unterschiede zwischen zwei Primaten fanden die Genomanalytiker Hinweise auf eine positive Selektion in Genen, die am Riechen beteiligt sind, oder die Fähigkeit, Informationen über Gerüche wahrzunehmen und zu verarbeiten. „Mensch- und Schimpansensequenzen sind sich so ähnlich, dass wir uns nicht sicher waren, ob diese Art der Analyse aufschlussreich wäre“, sagt der Evolutionsgenetiker Andrew G. Clark, Cornell-Professor für Molekularbiologie und Genetik. "Aber wir fanden Hunderte von Genen, die ein Muster der Sequenzänderung zeigten, das mit der adaptiven Evolution bei menschlichen Vorfahren übereinstimmt." Diese Gene sind am Geruchssinn, an der Verdauung, am Wachstum der langen Knochen, an der Behaarung und am Hören beteiligt. "Es ist eine Fundgrube von Ideen, die man durch einen sorgfältigeren Vergleich der Entwicklung und Physiologie von Mensch und Schimpanse testen kann", sagt Clark.

Die DNA-Sequenzierung des Schimpansen wurde von Celera Genomics in Rockville, Maryland, als Teil einer größeren Studie zur menschlichen Variation durchgeführt, die von den Unternehmensforschern Michele Cargill und Mark Adams geleitet wurde.

Celera generierte rund 18 Millionen DNA-Sequenz-„Reads“ oder etwa zwei Drittel so viele, wie für die erste Sequenzierung des menschlichen Genoms benötigt wurden. Die statistische Modellierung und Berechnung wurde von Clark und Rasmus Nielsen, einem Cornell-Assistenzprofessor für biologische Statistik und Computerbiologie, durchgeführt. Ein Teil der Analysen, bei denen auch das Mausgenom verglichen wurde, nutzte den Supercomputer-Cluster des Cornell Theory Center. Clark erklärt: „Indem wir die Gensequenzen von Mensch und Schimpanse mit denen der Maus aneinanderreihen, dachten wir, wir könnten Gene finden, die sich beim Menschen besonders schnell entwickeln. In gewisser Weise fragt diese Methode: Oder besser gesagt, welche Gene wurden durch natürliche Selektion ausgewählt, um Unterschiede zwischen Menschen und Schimpansen zu ergeben?" Die Studie begann mit fast 23.000 Genen, aber diese Zahl sank auf 7.645, weil sichergestellt werden musste, dass die richtigen Gene von Mensch, Schimpanse und Maus aufeinander abgestimmt waren.

Alle Säugetiere verfügen laut Clark über ein umfangreiches Repertoire an olfaktorischen Rezeptoren, Genen, die eine spezifische Geruchserkennung verschiedener Stoffe ermöglichen. „Die positive Selektion ist sowohl bei Menschen als auch bei Schimpansen sehr stark ausgeprägt, um den Geruchssinn zu stimmen, wahrscheinlich wegen ihrer Bedeutung für die Suche nach Nahrung und vielleicht Partner“, sagt Clark. Neben der großen Abweichung in der Geruchswahrnehmung scheinen auch Unterschiede im Aminosäurestoffwechsel die Fähigkeit von Schimpansen und Menschen zu beeinflussen, Nahrungsprotein zu verdauen und könnten auf die Zeit zurückgehen, als die frühen Menschen anfingen, mehr Fleisch zu essen, spekuliert Clark. Anthropologen gehen davon aus, dass dies vor etwa 2 Millionen Jahren zusammen mit einem großen Klimawandel geschah.

„Diese Studie liefert auch verlockende Hinweise auf einen noch komplexeren Unterschied – die Fähigkeit, Sprache zu sprechen und zu verstehen“, sagt Clark. "Vielleicht arbeiten einige der Gene, die es dem Menschen ermöglichen, Sprache zu verstehen, nicht nur im Gehirn, sondern sind auch am Hören beteiligt." Ein Beweis dafür war ein besonders starkes Selektionsmerkmal, das auf das Gen einwirkt, das für ein obskures Protein in der Tektorialmembran des Innenohrs kodiert. Eine Form der angeborenen Taubheit beim Menschen wird durch Mutationen in diesem Gen namens Alpha-Tectorin verursacht.

Mutationen im Alpha-Tectorin führen zu einem schlechten Frequenzgang des Ohrs, was das Verstehen von Sprache erschwert. „Es ist so, als würde man den Resonanzboden einer Stradivarius-Geige durch ein Stück Sperrholz ersetzen“, bemerkt Clark. Die große Divergenz zwischen Menschen und Schimpansen bei Alpha-Tectorin könnte bedeuten, dass der Mensch das Protein auf bestimmte Eigenschaften seines Gehörs einstellen musste. Dies führt Clark zu der Frage, ob eine der Schwierigkeiten beim Training von Schimpansen zum Verstehen menschlicher Sprache darin besteht, dass ihr Gehör dieser Aufgabe nicht ganz gewachsen ist. Obwohl Studien zum Hörvermögen von Schimpansen durchgeführt wurden, wurden keine detaillierten Tests ihrer vorübergehenden Reaktion durchgeführt.

Clark betont, dass eine solche Studie nicht beweisen kann, dass sich die Biologie von Mensch und Schimpanse aufgrund dieses oder jenes bestimmten Gens unterscheidet. "Aber es generiert viele Hypothesen, die getestet werden können, um genau zu verstehen, warum nur 1 Prozent der DNA-Sequenzunterschiede uns zu so unterschiedlichen Tieren machen", sagt er.

An der Studie arbeiteten auch Forscher von Applied Biosystems (Foster City, Kalifornien), Celera Diagnostics (Alameda, Kalifornien) und der Case Western Reserve University in Cleveland mit. Die Wissenschaft Der Bericht trägt den Titel "Infering non-neutral evolution from human-chimp-mouse orthologe gene trios."


Genetische Ähnlichkeiten zwischen Menschen und Schimpansen

  • Die Größe des Genoms von Mensch und Schimpanse ist ähnlich.
  • Genomsequenzen von Mensch und Schimpanse sind zu 98,8 % ähnlich.
  • Die Chromosomen von Mensch und Schimpanse sind sehr ähnlich.
  • Die mittlere Divergenz der Chromosomen ist ähnlich.
  • Außerdem ist auch die mittlere Divergenz von nicht-polymorphen Stellen und CpG-Stellen ähnlich.
  • Die Zahl der Nukleotid-Substitutionen beträgt 35 Millionen.
  • Außerdem beträgt die Anzahl der Einfügungen und Löschungen 5 Millionen. Die Gesamtmenge der Einfügungen und Deletionen beträgt 90 MB.
  • Die Nukleotiddivergenz der mitochondrialen Genome ist ähnlich.
  • Kann 66% Genduplikationen in beiden Genomen finden.
  • 29% der orthologen Proteine ​​von Mensch und Schimpanse sind ähnlich.

Ein Scan nach positiv selektierten Genen im Genom von Mensch und Schimpanse

Seit der Divergenz von Mensch und Schimpanse vor etwa 5 Millionen Jahren haben diese Arten eine bemerkenswerte Evolution mit drastischen Divergenzen in Anatomie und kognitiven Fähigkeiten durchlaufen. Auf molekularer Ebene könnten wir trotz des geringen Gesamtausmaßes der DNA-Sequenzdivergenz erwarten, dass solche evolutionären Veränderungen eine spürbare Signatur im gesamten Genom hinterlassen. Wir vergleichen hier 13.731 annotierte Gene von Menschen mit ihren Schimpansen-Orthologen, um Gene zu identifizieren, die Beweise für eine positive Selektion zeigen. Viele der Gene, die eine Signatur positiver Selektion darstellen, neigen dazu, an der Sinneswahrnehmung oder der Immunabwehr beteiligt zu sein. Die Gruppe der Gene, die den stärksten Beweis für eine positive Selektion zeigen, umfasst jedoch auch eine überraschende Anzahl von Genen, die an der Tumorsuppression und Apoptose beteiligt sind, sowie an Genen, die an der Spermatogenese beteiligt sind. Wir vermuten, dass eine positive Selektion in einigen dieser Gene durch einen Genomkonflikt aufgrund von Apoptose während der Spermatogenese angetrieben werden kann. Gene mit maximaler Expression im Gehirn zeigen wenig oder keinen Hinweis auf eine positive Selektion, während Gene mit maximaler Expression im Hoden dazu neigen, mit positiv selektierten Genen angereichert zu sein. Gene auf dem X-Chromosom neigen auch zu einer erhöhten Tendenz zur positiven Selektion. Wir präsentieren auch Polymorphismusdaten von 20 kaukasischen Amerikanern und 19 Afroamerikanern für die 50 annotierten Gene, die den stärksten Beweis für eine positive Selektion zeigen. Die Polymorphismusanalyse unterstützt weiterhin das Vorhandensein einer positiven Selektion in diesen Genen, indem sie einen Überschuss an hochfrequent abgeleiteten nicht-synonymen Mutationen zeigt.

Figuren

Abbildung 1. Verteilung von Mutationen

Abbildung 1. Verteilung von Mutationen

Die Abbildung zeigt die Anzahl der synonymen und nicht synonymen Nukleotide…

Abbildung 2. Frequenzspektren

Abbildung 2. Frequenzspektren

Die Abbildung zeigt die Frequenzspektren von nicht synonymen (rot) und synonymen…


Affengenom zeigt DNA-Ähnlichkeiten mit Menschen

Wissenschaftler haben das Genom des Rhesusaffen entschlüsselt und mit dem Genom des Menschen und seiner nächsten lebenden Verwandten – den Schimpansen – verglichen.

Die Sequenzierung wurde von einem internationalen Konsortium von Forschern, darunter Wissenschaftler des Genome Sequencing Center der School of Medicine, abgeschlossen und wird in einem Sonderteil der Zeitschrift Science vom 13. April veröffentlicht.

In verwandten Nachrichten haben Wissenschaftler der Universität kürzlich die Rohsequenzen für die Genome von Orang-Utan und Weißbüschelaffen fertiggestellt. Die Analyse dieser Genome und ein Vergleich mit Menschen und anderen Primaten werden in den nächsten Monaten durchgeführt.

Das National Human Genome Research Institute, eines der National Institutes of Health, finanziert alle drei Sequenzierungsprojekte.

“Dieses wachsende Portfolio an Primatengenomen wird es uns ermöglichen, die wichtige Biologie, die den in den Genomsequenzen kodierten Informationen zugrunde liegt, besser zu verstehen,”, sagte Richard K. Wilson, Ph.D., Direktor des Genome Sequencing Center. “Wir werden in der Lage sein, Hinweise darauf zu erhalten, warum Menschen und manche Primaten bestimmte Krebsarten und andere Krankheiten entwickeln, während andere Primaten dies nicht tun.”

Durch die Platzierung des menschlichen Genoms neben denen anderer Primaten können Wissenschaftler alle molekularen Veränderungen identifizieren, die die verschiedenen Arten trennen. Auf praktischer Ebene wird diese Arbeit wahrscheinlich dazu beitragen, herauszufinden, wie und wann genetische Veränderungen im Zusammenhang mit bestimmten Krankheiten, einschließlich Hepatitis, Malaria und Alzheimer-Krankheit, in das Genom eingeschlichen sind und warum nichtmenschliche Primaten solche Krankheiten nicht entwickeln.

Bei der Genomsequenzierung wird die genaue Reihenfolge der 3 Milliarden Buchstaben – eine Kombination aus As, Cs, Gs und Ts – bestimmt, aus denen die DNA des Tieres besteht. DNA wurde aus einer Blutprobe gewonnen, die jedem Primaten entnommen wurde. Im Rahmen dieser Forschung wurden keine Tiere geschädigt.

Das Makaken-Genom ist nach dem Schimpansen der zweite nichtmenschliche Primat, dessen Genom sequenziert wurde, und der erste Altweltaffe, dessen DNA entschlüsselt wurde. Das Makakengenom ist wichtig, weil es zum Menschen weiter entfernt ist als das Genom des Schimpansen oder des Orang-Utans. Dies bedeutet, dass wichtige Genommerkmale, die durch die Evolution konserviert wurden, leichter zu erkennen sind, wenn man den Makaken mit dem Menschen vergleicht.

“Die Genome von Primaten, die weiter mit dem Menschen verwandt sind als die des Schimpansen, geben den Forschern die Möglichkeit, die genauen Veränderungen in jedem der Genome im Laufe der Evolution zu bestimmen, von Makaken über Weißbüschelaffen bis hin zu Orang-Utans, Schimpansen und Menschen.& #8221 sagte Wilson. “Das ist wichtig, weil Makaken und Weißbüschelaffen auch als wertvolles Modell für die Erforschung menschlicher Infektionskrankheiten wie HIV und für die Impfstoffforschung dienen.

Unabhängige Zusammenstellungen der Genomdaten von Makaken wurden an der Universität, dem Baylor College of Medicine und dem J. Craig Venter Institute in Rockville, Md., durchgeführt. Baylor arbeitete auch mit der Universität bei der Sequenzierung des Orang-Utans und des Weißbüschelaffens zusammen.


Sequenzierung des menschlichen Genoms: Ansätze und Anwendungen

Eine Liste verschiedener Methoden, die zur Kartierung menschlicher Genome verwendet werden, ist unten angegeben. Diese Techniken sind auch für den Nachweis von normalen und Krankheitsgenen beim Menschen nützlich.

1. DNA-Sequenzierung: Die physikalische Karte der DNA kann mit höchster Auflösung identifiziert werden.

2. Verwendung von Sonden: Um RFLPs, STS und SNPs zu identifizieren.

3. Strahlungshybridkartierung: Genom in große Stücke fragmentieren und Marker und Gene lokalisieren. Benötigt somatische Zellhybride.

4. Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (FISH): Um ein Gen auf dem Chromosom zu lokalisieren.

5. Sequence tagged site (STS) mapping : Applicable to any part of DNA sequence if some sequence information is available.

6. Expressed sequence tag (EST) mapping : A variant of STS mapping expressed genes are actually mapped and located.

7. Pulsed-field gel electrophoresis (PFGE) : For the separation and isolation of large DNA fragments.

8. Cloning in vectors (plasmids, phages, variable lengths, cosmids, YACs, BACs).: To isolate DNA fragments of variable length.

9. Polymerase chain reaction (PCR) : To amplify gene fragments.

10. Chromosome walking : Useful for cloning of overlapping DNA fragments (restricted to about 200 kb).

11. Chromosome jumping : DNA can be cut into large fragments and circularized for use in chromosome walking.

12. Detection of cytogenetic abnormalities : Certain genetic diseases can be identified by cloning the affected genes e.g. Duchenne muscular dystrophy.

13. Databases : Existing databases facilitate gene identification by comparison of DNA and protein sequences.

For elucidating human genome, different approaches were used by the two HGP groups. IHCSC predominantly employed map first and sequence later approach. The principal method was hierarchical shotgun sequencing. This technique involves fragmentation of the genome into small fragments (100-200 kb), inserting them into vectors (mostly bacterial artificial chromosomes, BACs) and cloning. The cloned fragments could be sequenced.

Celera Genomics used whole genome shotgun approach. This bypasses the mapping step and saves time. Further, Celera group was lucky to have high-throughput sequenators and powerful computer programmes that helped for the early completion of human genome sequence.

Whose Genome was Sequenced?

One of the intriguing questions of human genome project is whose genome is being sequenced and how will it relate to the 6 billion or so population with variations in world? There is no simple answer to this question.

However, looking from the positive side, it does not matter whose genome is sequenced, since the phenotypic differences between individuals are due to variations in just 0.1% of the total genome sequences. Therefore many individual genomes can be used as source material for sequencing.

Much of the human genome work was performed on the material supplied by the Centre for Human Polymorphism in Paris, France. This institute had collected cell lines from sixty different French families, each spanning three generations. The material supplied from Paris was used for human genome sequencing.

Human Genome Sequence -Results Summarised:

The information on the human genome projects is too vast, and only some highlights can be given below. Some of them are briefly described.

Major Highlights of human Genome:

1. The draft represents about 90% of the entire human genome. It is believed that most of the important parts have been identified.

2. The remaining 10% of the genome sequences are at the very ends of chromosomes (i.e. telomeres) and around the centromeres.

3. Human genome is composed of 3200 Mb (or 3.2 Gb) i.e. 3.2 billion base pairs (3,200,000,000).

4. Approximately 1.1 to 1.5% of the genome codes for proteins.

5. Approximately 24% of the total genome is composed of introns that split the coding regions (exons), and appear as repeating sequences with no specific functions.

6. The number of protein coding genes is in the range of 30,000-40,000.

7. An average gene consists of 3000 bases, the sizes however vary greatly. Dystrophin gene is the larget known human gene with 2.4 million bases.

8. Chromosome 1 (the target human chromosome) contains the highest number of genes (2968), while the Y chromosome has the lowest. Chromosomes also differ in their GC content and number of transposable elements.

9. Genes and DNA sequences associated with many diseases such as breast cancer, muscle diseases, deafness and blindness have been identified.

10. About 100 coding regions appear to have been copied and moved by RNA-based transposition (retro- transposons).

11. Repeated sequences constitute about 50% of the human genome.

12. A vast majority of the genome (

97%) has no known functions.

13. Between the humans, the DNA differs only by 0.2% or one in 500 bases.

14. More than 3 million single nucleotide polymorphisms (SNPs) have been identified.

15. Human DNA is about 98% identical to that of chimpanzees.

16. About 200 genes are close to that found in bacteria.

Most of the Genome Sequence is Identified:

About 90% of the human genome has been sequenced. It is composed of 3.2 billion base pairs (3200 Mb or 3.2 Gb). If written in the format of a telephone book, the base sequence of human genome would fill about 200 telephone books of 1000 pages each. Some other interesting analogs/ sidelights of genome are given in Table 12.3.

Individual differences in genomes:

It has to be remembered that every individual, except identical twins, have their own versions of genome sequences. The differences between individuals are largely due to single nucleotide polymorphisms (SNPs). SNPs represent positions in the genome where some individuals have one nucleotide (i.e. an A), and others have a different nucleotide (i.e. a G). The frequency of occurrence of SNPs is estimated to be one per 1000 base pairs. About 3 million SNPs are believed to be present and at least half of them have been identified.

Benefits/Applications of Human Genome Sequencing:

It is expected that the sequencing of human genome and the genomes of other organisms will dramatically change our understanding and perceptions of biology and medicine. Some of the benefits of human genome project are given.

Identification of human genes and their functions:

Analysis of genomes has helped to identify the genes, and functions of some of the genes. The functions of other genes and the interaction between the gene products needs to be further elucidated.

Understanding of polygenic disorders:

The biochemistry and genetics of many single- gene disorders have been elucidated e.g. sickle-cell anemia, cystic fibrosis, and retinoblastoma. A majority of the common diseases in humans, however, are polygenic in nature e.g. cancer, hypertension, diabetes. At present, we have very little knowledge about the causes of these diseases. The information on the genome sequence will certainly help to unravel the mysteries surrounding polygenic diseases.

Improvements in gene therapy:

At present, human gene therapy is in its infancy for various reasons. Genome sequence knowledge will certainly help for more effective treatment of genetic diseases by gene therapy.

Improved diagnosis of diseases:

In the near future, probes for many genetic diseases will be available for specific identification and appropriate treatment.

Development of pharmacogenomics:

The drugs may be tailored to treat the individual patients. This will become possible considering the variations in enzymes and other proteins involved in drug action, and the metabolism of the individuals.

Genetic basis of psychiatric disorders:

By studying the genes involved in behavioural patterns, the causation of psychiatric diseases can be understood. This will help for the better treatment of these disorders.

Understanding of complex social trait:

With the genome sequence now in hand, the complex social traits can be better understood. For instance, recently genes controlling speech have been identified.

Knowledge on mutations:

Many events leading to the mutations can be uncovered with the knowledge of genome.

Better understanding of developmental biology:

By determining the biology of human genome and its regulatory control, it will be possible to understand how humans develop from a fertilized eggs to adults.

Comparative genomics:

Genomes from many organisms have been sequenced, and the number will increase in the coming years. The information on the genomes of different species will throw light on the major stages in evolution.

Development of biotechnology:

The data on the human genome sequence will spur the development of biotechnology in various spheres.


Comparison of human and chimpanzee genomes reveals striking similarities and differences

The first comprehensive comparison of the genetic blueprints of humans and chimpanzees shows our closest living relatives share perfect identity with 96 percent of our DNA sequence, an international research consortium reported today. Led by scientists from the Broad Institute of the Massachusetts Institute of Technology and Harvard University, Cambridge, MA, and the Washington University School of Medicine in Saint Louis, MO, the Chimpanzee Sequencing and Analysis Consortium reported its findings in the Sept. 1 issue of the journal Natur.

Comparison of the chimpanzee and human genomes reveals extraordinary similarities, significant differences and new paths for biomedical research:

  • It provides unambiguous confirmation of the common and recent evolutionary origin of human and chimpanzees, as first predicted by Charles Darwin in 1871.
  • It provides key information for human medicine by revealing important properties of the human genome, including the types of genes that have been evolving most rapidly over millions of years and specific chromosomal regions that have undergone strong positive selection during recent human history. This sheds light on human biology and especially on human disease, because at least some of these reflect responses to recent infectious agents or evolutionary changes relevant to human health.
  • It demonstrates that the human and chimpanzee species have tolerated more deleterious mutations than other mammals, such as rodents. This confirms an important evolutionary prediction, and may account for greater innovation in primates than rodents, as well as a high incidence of genetic diseases.

"We now have a nearly complete catalog of the genetic changes that occurred during the evolution of the modern human and chimpanzee species from our common ancestor," said the study's lead author, Tarjei S. Mikkelsen of the Broad Institute. "By cross-referencing this catalog against clinical observations and other biological data, we can begin to identify the specific changes that underlie the unique traits of the human species."

"The evolutionary comparison of the human and chimpanzee genomes has major implications for biomedicine," said Eric Lander, director of the Broad Institute. "It provides a crucial baseline for human population genetic analysis. By identifying recent genetic changes and regions with unusually high or low variation, it can point us to genes that vary as a response to infectious agents and environmental pressures."

Among the major findings of the Consortium are:

1. The chimpanzee and human genomes are strikingly similar and encode very similar proteins. The DNA sequence that can be directly compared between the two genomes is almost 99 percent identical. When DNA insertions and deletions are taken into account, humans and chimpanzees still share 96 percent sequence identity. At the protein level, 29 percent of genes code for the same amino sequences in chimpanzees and humans. In fact, the typical human protein has accumulated just one unique change since chimpanzees and humans diverged from a common ancestor about 6 million years ago.

2. A few classes of genes are changing unusually quickly in both humans and chimpanzees compared with other mammals. These classes include genes involved in perception of sound, transmission of nerve signals, production of sperm and cellular transport of ions. The rapid evolution of these genes may have contributed to the special characteristics of primates.

3. Humans and chimpanzees have accumulated more potentially deleterious mutations in their genomes over the course of evolution than have mice, rats and other rodents. While such mutations can cause diseases that may erode a species' overall fitness, they may have also made primates more adaptable to rapid environmental changes and enabled them to achieve unique evolutionary adaptations.

4. About 35 million DNA base pairs differ between the shared portions of the two genomes. In addition, there are another 5 million sites that differ because of an insertion or deletion in one of the lineages, along with a much smaller number of chromosomal rearrangements. Most of these differences lie in what is believed to be DNA of little or no function. However, as many as 3 million of the differences are found in crucial protein-coding genes or other functional areas of the genome. Somewhere in these relatively few differences lies the biological basis for the unique characteristics of the human species, including human-specific diseases such as Alzheimer's disease, certain cancers, and HIV/AIDS.

5. Although the statistical signals are relatively weak, a few classes of genes appear to be evolving more rapidly in humans than in chimpanzees. The single strongest outlier involves genes that code for transcription factors, molecules that regulate the activity of other genes and that play key roles in embryonic development.

6. A small number of other genes have undergone even more dramatic changes. More than 50 genes present in the human genome are missing or partially deleted from the chimpanzee genome. The corresponding number of gene deletions in the human genome is not yet precisely known. For example, three key genes involved in inflammation appear to be deleted in the chimpanzee genome, possibly explaining some of the known differences between chimpanzees and humans in respect to immune and inflammatory response. On the other hand, humans appear to have lost the function of the caspase-12 gene, which produces an enzyme that may affect the progression of Alzheimer's disease.

7. There are six regions in the human genome that have strong signatures of selective sweeps over the past 250,000 years (selective sweeps occur when a mutation arises in a population and is so advantageous that it spreads throughout the population within a few hundred generations and eventually becomes "normal.") One region contains more than 50 genes, while another contains no known genes and lies in an area that scientists refer to as a "gene desert." Intriguingly, this gene desert may contain elements regulating the expression of a nearby protocadherin gene, which has been implicated in patterning of the nervous system.

A seventh region with moderately strong signals contains the FOXP2 und CFTR Gene. FOXP2 has been implicated in the acquisition of speech in humans. CFTR, which codes for a protein involved in ion transport and, if mutated, can cause the fatal disease cystic fibrosis, is thought to be the target of positive selection in European populations.

The initial complete sequence of the chimpanzee genome and comparison to the human genome is an important milestone in what will be several years of intensive work at understanding human evolutionary history and applying these data to biomedical research. The fact that these data, and all future data from the Consortium, are being placed in the public domain means that scientists worldwide can contribute to this work.

The 67 researchers who took part in the Chimpanzee Sequencing and Analysis Consortium share authorship of the Natur paper. The sequencing and assembly of the chimpanzee genome was done at the Broad Institute and at the Washington University School of Medicine in Saint Louis, MO. In addition to those centers, the consortium included researchers from institutions elsewhere in the United States, as well as Israel, Italy, Germany and Spain. The work of the Chimpanzee Sequencing and Analysis Consortium is funded in part by the National Human Genome Research Institute (NHGRI) of the National Institutes of Health.

The team was co-led by Lander, Richard Wilson of the Washington University School of Medicine in Saint Louis, MO and Robert Waterston of the University of Washington, Seattle WA.

A complete list of authors and affiliations can be found at http://www.nature.com/.

About the Broad Institute of MIT and Harvard

The Broad Institute of MIT and Harvard was founded in 2003 to bring the power of genomics to biomedicine. It pursues this mission by empowering creative young scientists to construct new and robust tools for genomic medicine, to make them accessible to the global scientific community, and to apply them to the understanding and treatment of disease.

The Institute is a research collaboration that involves faculty, professional staff and students from throughout the MIT and Harvard academic and medical communities. It is governed jointly by the two universities.

Organized around Scientific Programs and Scientific Platforms, the unique structure of the Broad Institute enables scientists to collaborate on transformative projects across many scientific and medical disciplines.


Broad Institute

The chimpanzee is the closest living relative to modern humans and thus its genome holds a wealth of information about recent human history and biology. Although not a "model organism" in the classic sense of disease study, the chimpanzee genome can offer major insights into the genetic basis of human disease as well as understanding the mechanisms of evolution at work on the human genome.

The initial goal of the chimpanzee genome sequencing project was to produce a draft sequence of a male chimpanzee (named Clint). The project was undertaken as a collaborative effort of the Broad Institute and the Washington University Genome Sequencing Center (WUGSC) and has been used for an initial comparison with the human genome. The project also produced a large collection of single-nucleotide polymorphisms (SNPs) within and between western and central chimpanzee populations, which provide a genetic backdrop for the study of human population genetics.

Additional whole-genome shotgun sequence has subsequently been produced by our collaborators, and an updated genome assembly (PanTro2.1, 6X coverage) is available from established genome web browsers. A comprehensive BAC based physical map has also been produced.


NIH-funded scientists publish orangutan genome sequence

Slower orangutan evolution has resulted in a more stable genome compared to humans.

It is easy to feel a kinship with orangutans when looking into their soulful eyes and observing their socially complex behavior. Perhaps that’s because orangutans and humans share 97 percent of their DNA sequence, according to an analysis of the great ape's genome published today by an international group of scientists.

Orangutans, known for their distinctive auburn hair, are primarily tree dwellers native to the Southeast Asian islands of Sumatra and Borneo. The DNA sequence published in the Jan. 27 issue of Nature is from a female Sumatran (Pongo abelii) orangutan. In addition, five Sumatran and five Bornean (Pongo pygmaeus) orangutan genomes were sequenced at a less detailed level. The orangutan is the third non-human primate to have its genome sequenced, after the chimp and rhesus macaque. Of the great apes, orangutans are the most distantly related to humans, while chimpanzees are the most closely related.

Funded in part by the National Human Genome Research Institute (NHGRI), a component of the National Institutes of Health (NIH), the study was led by scientists from the Washington University School of Medicine in St. Louis and Baylor College of Medicine, Houston.

Researchers can now leverage the orangutan genome sequence to learn more about the biology of this endangered species and to identify what has been added or deleted in the evolution of primate and human genomes that may have contributed to unique human characteristics.

"The unique evolutionary position of the orangutan can be leveraged to discover parts of the human genome that differ among primates," said NHGRI Director Eric D. Green, M.D., Ph.D. "Sequencing many primate genomes can help us define and understand the conserved DNA sequences that set humans apart from primates."

While humans and orangutans are similar at the DNA level, comparing available primate genome sequences revealed that the orangutan has evolved much more slowly than chimpanzees and humans. The orangutan genome has fewer large DNA sequence structural rearrangements than its chimpanzee and human counterparts. Large genome structural rearrangements are DNA mutations that result in large genomic segments being duplicated, deleted, inserted or inverted.

"In terms of evolution, the orangutan genome is quite special among great apes in that it has been extraordinarily stable over the past 15 million years," says senior author Richard K. Wilson, Ph.D., director of the Washington University Genome Center. "This compares with chimpanzees and humans, both of which have experienced large-scale structural rearrangements in their DNA that may have accelerated their evolution."

The researchers catalogued one type of large structural rearrangement called segmental duplications that have played a major role in restructuring other primate genomes. These large, almost identical copies of DNA are present in at least two locations of the genome and known to be associated with human diseases. Segmental duplications make up about 5 percent of human and chimpanzee genomes, but are present in only about 3.8 percent of the orangutan genome.

There are also many fewer Alu elements — short stretches of DNA that insert themselves into a genome these are associated with new mutations and gene recombination. The human genome possesses about 5,000 human-specific Alu elements, while the chimpanzee genome has about 2,000 chimp-specific Alu elements. Only 250 such elements were found in the orangutan genome.The lack of newer Alu elements could be one of the reasons that the orangutan genome does not have the degree of structural rearrangement found in other great apes.

Another structural oddity encountered is the presence of a neocentromere on orangutan chromosome 12. A neocentromere is a centromere that appears in a novel location. A centromere sits in the middle of and joins the two arms of a chromosome. It also helps to keep chromosomes properly aligned during the complex process of cell division. This is the first neocentromere discovered in a primate genome. One was previously found in the horse genome. Discovery of the neocentromere will help researchers understand how centromeres, and therefore chromosomes, change and evolve.

"This variant in the chromosome 12 centromere position appears in both populations of orangutan," said Kim Worley, Ph.D., an author of the study and associate professor of the Baylor College of Medicine Human Genome Sequencing Center. "It attracts centromeric proteins in the same way that a normal centromere does."

The analysis also reveals the immense genetic diversity across and within Sumatran and Bornean orangutans. Diversity is important because it enhances the ability of populations to stay healthy and adapt to changes in the environment. The new research shows that the Sumatran and Bornean orangutans diverged some 400,000 years ago. Today, only about 50,000 Bornean and 7,000 Sumatran orangutans still live in the wild. But, in a finding that seems counter-intuitive, the scientists found the smaller population of Sumatran orangutans is genetically more diverse than the Bornean population.

"The average orangutan is still more diverse — genetically speaking — than the average human," says lead author Devin Locke, Ph.D., an evolutionary geneticist at Washington University's Genome Center. "We found deep diversity in both Bornean and Sumatran orangutans, but it’s unclear whether this level of diversity can be maintained in light of continued widespread deforestation of their homes."

"It is our hope that the genome assembly and population variation data presented here provide a valuable resource to the community to aid the preservation of these precious species," according to the paper's conclusion.

The chimpanzee, orangutan and human genome sequences, along with those of a wide range of other organisms, can be accessed through the following public genome browsers: GenBank at NIH's National Center for Biotechnology Information (NCBI) the Ensembl Genome Browser at the Wellcome Trust Sanger Institute and the EMBL-European Bioinformatics Institute the DNA Data Bank of Japan and EMBL-Bank , at the European Molecular Biology Laboratory's Nucleotide Sequence Database.


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