stringtranslate.com

Генетика вперед

Прямая генетика — это подход молекулярной генетики к определению генетической основы, ответственной за фенотип. Прямая генетика обеспечивает беспристрастный подход, поскольку она в значительной степени опирается на идентификацию генов или генетических факторов, которые вызывают определенный фенотип или интересующую черту. [1]

Первоначально это делалось с помощью естественных мутаций или индукции мутантов с помощью радиации, химикатов или инсерционного мутагенеза (например, мобильных элементов ). Происходит последующее разведение, мутантные особи изолируются, а затем ген картируется . Прямую генетику можно рассматривать как противовес обратной генетике , которая определяет функцию гена путем анализа фенотипических эффектов измененных последовательностей ДНК. [2] Мутантные фенотипы часто наблюдаются задолго до того, как появляется какое-либо представление о том, какой ген за них отвечает, что может привести к тому, что гены будут названы в честь их мутантного фенотипа (например, розовый ген Drosophila , который назван в честь цвета глаз у мутантов). [3]

Методы, используемые в прямой генетике

Прямая генетика предоставляет исследователям возможность идентифицировать генетические изменения, вызванные мутациями, которые отвечают за отдельные фенотипы организмов. [1] Существует три основных этапа, связанных с процессом прямой генетики, которые включают: создание случайных мутаций, выбор фенотипа или интересующего признака и идентификацию гена и его функции. [4] Прямая генетика включает использование нескольких процессов мутагенеза для индукции мутаций ДНК случайным образом, которые могут включать:

Химический мутагенез

Химический мутагенез — это простой инструмент, который используется для создания широкого спектра мутантных аллелей. Химические вещества, такие как этилметансульфонат (EMS), вызывают случайные точечные мутации, особенно в переходах G/C в A/T из-за алкилирования гуанина. [3] Эти точечные мутации, как правило, являются аллелями с потерей функции или нулевыми аллелями, поскольку они генерируют стоп-кодоны в последовательности ДНК. [5] Эти типы мутагенов могут быть полезны, поскольку их легко применять к любому организму, но их традиционно было очень трудно картировать , хотя появление секвенирования следующего поколения значительно упростило этот процесс.

Другое химическое вещество, такое как ENU, также известное как N-этил-N-нитрозомочевина, работает аналогично EMS. ENU также вызывает случайные точечные мутации, где все кодоны в равной степени подвержены изменению. Эти точечные мутации изменяют функцию гена, вызывая различные аллели, включая мутации приобретения или потери функции в кодирующих белок или некодирующих областях генома. [6]

На рисунке показаны химические соединения этилметансульфонат (показан слева) и N-этил-N-нитрозомочевина (показана справа).

Радиационный мутагенез

Другие методы, такие как использование радиации для вызывания крупных делеций и хромосомных перестроек, также могут быть использованы для создания мутантов. [3] Ионизирующее излучение может быть использовано для индуцирования мутаций по всему геному, а также хромосомных дупликаций, инверсий и транслокаций.

Аналогично, коротковолновый УФ-свет действует так же, как ионизирующее излучение, которое также может вызывать мутации, генерирующие хромосомные перестройки. Когда ДНК поглощает коротковолновый УФ-свет, могут происходить димеризационные и окислительные мутации, которые могут вызвать серьезные повреждения последовательности ДНК организма.

Инсерционный мутагенез

Мутации также могут быть получены путем инсерционного мутагенеза . Чаще всего инсерционный мутагенез включает использование транспозонов, которые вносят существенные изменения в геном организма. Движения транспозонов могут создавать случайные мутации в последовательности ДНК, изменяя ее положение в геноме, тем самым изменяя функцию гена и изменяя генетическую информацию организма. Например, транспозонные элементы , содержащие маркер, мобилизуются в геном случайным образом. Эти транспозоны часто модифицируются для транспозиции только один раз, и после вставки в геном селективный маркер может использоваться для идентификации мутагенизированных особей. Поскольку был вставлен известный фрагмент ДНК, это может значительно облегчить картирование и клонирование гена. [3] [7]

Постмутагенез

После мутагенеза и скрининга обычно проводится тест на комплементарность , чтобы убедиться, что мутантные фенотипы возникают из тех же генов, если мутации рецессивны. [3] [8] Если потомство после скрещивания двух рецессивных мутантов имеет фенотип дикого типа, то можно сделать вывод, что фенотип определяется более чем одним геном. Как правило, аллель, демонстрирующий самый сильный фенотип, далее анализируется. Затем можно создать генетическую карту с использованием сцепления и генетических маркеров, а затем интересующий ген можно клонировать и секвенировать. Если обнаружено много аллелей одних и тех же генов, то скрининг считается насыщенным, и, вероятно, были обнаружены все гены, участвующие в создании фенотипа. [8]

Блок-схема основных этапов подхода прямой генетики.

Болезни человека

Заболевания и расстройства человека могут быть результатом мутаций. [9] Методы прямой генетики используются при изучении наследственных заболеваний для определения ответственных генов. [10] При одногенных или менделевских расстройствах миссенс-мутация может быть значительной; однонуклеотидные полиморфизмы (SNP) могут быть проанализированы для выявления генных мутаций, связанных с фенотипом расстройства. До 1980 года очень немногие человеческие гены были идентифицированы как локусы заболеваний, пока достижения в области ДНК-технологий не привели к появлению позиционного клонирования и обратной генетики. В 1980-х и 1990-х годах позиционное клонирование состояло из генетического картирования, физического картирования и распознавания мутации гена. [11] Обнаружение локусов заболеваний с использованием старых методов прямой генетики было очень долгим и сложным процессом, и большая часть работы ушла на картирование и клонирование гена с помощью ассоциативных исследований и хромосомных прогулок. [3] [12] Несмотря на трудоемкость и дороговизну, прямая генетика дает возможность получить объективную информацию о связи мутации с заболеванием. [13] Еще одним преимуществом прямой генетики является то, что она не требует никаких предварительных знаний об изучаемом гене. [10] Муковисцидоз , однако, демонстрирует, как процесс прямой генетики может пролить свет на генетическое расстройство человека. Исследования генетического сцепления смогли сопоставить локусы заболевания при муковисцидозе с хромосомой 7 с помощью белковых маркеров. После этого для идентификации гена и его секвенирования использовались методы ходьбы и прыжков по хромосоме. [14] Прямая генетика может работать в ситуациях с одним геном и одним фенотипом, но в более сложных заболеваниях, таких как рак, вместо этого часто используется обратная генетика. [12] Обычно это происходит потому, что сложные заболевания, как правило, имеют несколько генов, мутаций или других факторов, которые вызывают или могут влиять на них. [9] Прямая и обратная генетика работают с противоположными подходами, но обе полезны для генетических исследований. [10] Их можно объединить вместе, чтобы увидеть, будут ли получены схожие результаты. [10]

Классическая прямая генетика

Согласно классическому генетическому подходу, исследователь находит (картирует) ген на его хромосоме путем скрещивания с особями, которые несут другие необычные черты, и собирает статистику о том, как часто эти две черты наследуются вместе. Классические генетики использовали бы фенотипические черты для картирования новых мутантных аллелей. В конечном итоге есть надежда, что такие скрининги достигнут достаточно большого масштаба, что большинство или все вновь созданные мутации будут представлять собой второе попадание в локус, по сути насыщая геном мутациями. Этот тип мутагенеза насыщения в классических экспериментах использовался для определения наборов генов, которые были минимальными для появления определенных фенотипов. [15] Однако такие начальные скрининги были либо неполными, поскольку в них отсутствовали избыточные локусы и эпигенетические эффекты, и такие скрининги было трудно проводить для определенных фенотипов, у которых отсутствуют непосредственно измеримые фенотипы. Кроме того, классический генетический подход занимает значительно больше времени.

История

Грегор Мендель экспериментировал с фенотипами гороха и опубликовал свои выводы о генах и наследовании в 1865 году. [10] Примерно в начале 1900-х годов Томас Хант Морган мутировал дрозофилу с помощью радия и пытался найти наследуемые мутации. [16] Позже Альфред Стертевант начал картировать гены дрозофилы с мутациями, которые они отслеживали. [17] В 1990-х годах методы прямой генетики были использованы для лучшего понимания генов дрозофилы, важных для развития от эмбриона до взрослой мухи. [18] В 1995 году Нобелевская премия была присуждена Кристиане Нюсляйн, Эдварду Льюису и Эрис Вишаус за их работу в области генетики развития. [18] Геном человека был картирован, а последовательность была опубликована в 2003 году . [19] Возможность идентифицировать гены, которые способствуют менделевским расстройствам, улучшилась с 1990 года в результате достижений в области генетики и технологий. [9]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab Moresco EM, Li X, Beutler B (май 2013 г.). «Продвижение вперед с генетикой: последние технологические достижения и передовая генетика у мышей». Американский журнал патологии . 182 (5): 1462–1473. doi :10.1016/j.ajpath.2013.02.002. PMC  3644711. PMID  23608223 .
  2. ^ "Что такое область обратной генетики". innovateus . Получено 13 ноября 2014 г.
  3. ^ abcdef Парш Дж. «Прямая и обратная генетика» (PDF) . Мюнхенский университет Людвига-Максимилиана. Архивировано из оригинала (PDF) 13 декабря 2014 года . Проверено 31 октября 2014 г.
  4. ^ Bramwell KK, Teuscher C, Weis JJ (2014-06-05). "Прогрессивные генетические подходы к выяснению новых регуляторов тяжести артрита Лайма". Frontiers in Cellular and Infection Microbiology . 4 : 76. doi : 10.3389/fcimb.2014.00076 . PMC 4046100. PMID  24926442 . 
  5. ^ Кучер Л.М., Шахам С. (январь 2014 г.). «Прямой и обратный мутагенез у C. elegans». Червячная книга : 1–26. дои :10.1895/wormbook.1.167.1. ПМЦ 4078664 . ПМИД  24449699. 
  6. ^ Букан, М. (2013-01-01), «Генетика мышей», в Maloy, Stanley; Хьюз, Келли (ред.), Энциклопедия генетики Бреннера (второе издание) , Сан-Диего: Academic Press, стр. 486–488, doi :10.1016/b978-0-12-374984-0.00980-3, ISBN 978-0-08-096156-9, получено 2022-11-22
  7. ^ Хартвелл Л. (2010-09-14). Генетика от генов к геномам (Четвертое изд.). Нью-Йорк, Нью-Йорк: McGraw-Hill. стр. G-11. ISBN 978-0-07-352526-6.
  8. ^ ab Hunter S. "Forward Genetics Topics". UCSanDiego. Архивировано из оригинала 15 декабря 2014 года . Получено 7 ноября 2014 года .
  9. ^ abc Stearns S (2008). Эволюция в здоровье и болезни . Нью-Йорк: Oxford University Press Inc. ISBN 978-0-19-920746-6.
  10. ^ abcde Brown TA (2018). Геномы 4 (Четвертое изд.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк. ISBN 978-0-8153-4508-4. OCLC  965806746.{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
  11. ^ Beutler B (декабрь 2016 г.). «Врожденный иммунитет и новая передовая генетика». Best Practice & Research. Clinical Hematology . 29 (4): 379–387. doi :10.1016/j.beha.2016.10.018. PMC 5179328. PMID 27890263  . 
  12. ^ ab Strachan T, Read A (1999). Молекулярная генетика человека 2 (2-е изд.). Нью-Йорк: Garland Science. стр. Глава 15. ISBN 978-1-85996-202-2. Получено 31 октября 2014 г.
  13. ^ Gurumurthy CB, Grati M, Ohtsuka M, Schilit SL, Quadros RM, Liu XZ (сентябрь 2016 г.). «CRISPR: универсальный инструмент для исследований прямой и обратной генетики». Human Genetics . 135 (9): 971–976. doi :10.1007/s00439-016-1704-4. PMC 5002245 . PMID  27384229. 
  14. ^ Rommens JM, Iannuzzi MC, Kerem B, Drumm ML, Melmer G, Dean M и др. (сентябрь 1989 г.). «Идентификация гена муковисцидоза: ходьба и прыжки хромосом». Science . 245 (4922): 1059–1065. Bibcode :1989Sci...245.1059R. doi :10.1126/science.2772657. PMID  2772657.
  15. ^ Гибсон Г., Мьюз С.В. (2009). Учебник по геномной науке (третье изд.). Sinauer Press.
  16. ^ Гамильтон V (2016-07-19). "Секреты жизни". Институт истории науки . Получено 2018-09-25 .
  17. ^ «Обзор проекта «Геном человека»». Национальный институт исследований генома человека (NHGRI) . Получено 25.09.2018 .
  18. ^ ab Gilbert S (2014). Биология развития . Сазерленд, Массачусетс: Sinauer Associates Inc. ISBN 978-0-87893-978-7.
  19. ^ «Обзор проекта «Геном человека»». Национальный институт исследований генома человека (NHGRI) . Получено 25.09.2018 .