Прямая генетика - это молекулярно-генетический подход к определению генетической основы, ответственной за фенотип. Методы прямой генетики начинаются с идентификации фенотипа и позволяют находить или создавать модельные организмы, которые демонстрируют изучаемые характеристики.
Первоначально это было сделано с использованием встречающихся в природе мутаций или индукции мутантов с помощью излучения, химикатов или инсерционного мутагенеза (например, мобильных элементов ). Последующее разведение происходит, мутантные особи выделяются, а затем картируется ген . Прямая генетика может рассматриваться как противодействие обратной генетике , которая определяет функцию гена путем анализа фенотипических эффектов измененных последовательностей ДНК. [1] Мутантные фенотипы часто наблюдаются задолго до того, как появляется какое-либо представление о том, какой ген ответственен, что может привести к тому, что гены будут названы в честь их мутантного фенотипа (например, ген розового дрозофилы , названный в честь цвета глаз у мутантов).[2]
Общая техника
Методы прямой генетики начинаются с идентификации фенотипа и позволяют находить или создавать модельные организмы, которые демонстрируют изучаемые характеристики. [3] Распространенным модельным организмом является рыба данио, которую можно использовать для нацеливания на мутации, имитирующие болезни и состояния, встречающиеся у людей. [4] Часто возникают сотни тысяч мутаций, это можно сделать с помощью химикатов или радиации. [5] [6] Такие химические вещества, как этилметансульфонат (EMS), вызывают случайные точечные мутации . [2] Эти типы мутагенов могут быть полезны, потому что они легко применяются к любому организму, но традиционно их было очень трудно картировать , хотя появление секвенирования следующего поколения значительно упростило этот процесс. Мутации также могут быть вызваны инсерционным мутагенезом . Например, мобильные элементы, содержащие маркер , случайным образом мобилизуются в геном. Эти транспозоны часто модифицируют, чтобы транспонировать только один раз, и после введения в геном селектируемый маркер можно использовать для идентификации мутагенизированных особей. Поскольку был вставлен известный фрагмент ДНК, это может значительно облегчить картирование и клонирование гена. [2] [7] Другие методы, такие как использование излучения, чтобы вызвать делеции и хромосомные перестройки, также могут быть использованы для создания мутантов. [2]
После мутагенизации и скрининга обычно проводится тест комплементации, чтобы убедиться, что мутантные фенотипы возникают из одних и тех же генов, если мутации рецессивные. [2] [6] Если потомство после скрещивания двух рецессивных мутантов имеет фенотип дикого типа, то можно сделать вывод, что фенотип определяется более чем одним геном. Как правило, дополнительно анализируется аллель с наиболее сильным фенотипом. Затем может быть создана генетическая карта с использованием сцепления и генетических маркеров, а затем интересующий ген может быть клонирован и секвенирован. Если обнаружено много аллелей одних и тех же генов, скрининг считается насыщенным, и вполне вероятно, что были обнаружены все гены, участвующие в формировании фенотипа. [6]
Болезни человека
Болезни и расстройства человека могут быть результатом мутаций. [8] Методы прямой генетики используются при изучении наследственных заболеваний для определения генов, которые являются ответственными. [5] При моногенных 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 болезней, пока успехи в технологии ДНК не привели к позиционному клонированию и обратной генетике. В 1980-х и 1990-х годах позиционное клонирование состояло из генетического картирования, физического картирования и выявления мутации гена. [9] Обнаружение локусов болезни с использованием старых генетических методов было очень долгим и трудным процессом, и большая часть работы ушла на картирование и клонирование гена с помощью ассоциативных исследований и ходьбы по хромосомам. [2] [10] Несмотря на то, что прямая генетика трудоемка и дорогостоящая, она позволяет получить объективную информацию о связи мутации с болезнью. [11] Еще одно преимущество прямой генетики состоит в том, что она не требует предварительных знаний об изучаемом гене. [5] Муковисцидоз, однако, демонстрирует, как процесс прямой генетики может пролить свет на генетическое заболевание человека. Исследования генетической связи позволили сопоставить локусы болезни при муковисцидозе с хромосомой 7 с помощью белковых маркеров. После этого были использованы техники ходьбы и прыжков по хромосомам, чтобы идентифицировать ген и определить его последовательность. [12] Прямая генетика может работать в ситуациях с одним геном и одним фенотипом, но при более сложных заболеваниях, таких как рак, вместо нее часто используется обратная генетика. [10] Обычно это происходит из-за того, что сложные заболевания, как правило, имеют несколько генов, мутаций или других факторов, которые вызывают или могут влиять на него. [8] Прямая и обратная генетика работают с противоположными подходами, но оба они полезны для генетических исследований. [5] Их можно объединить, чтобы увидеть, будут ли получены аналогичные результаты. [5]
Классическая форвардная генетика
Согласно классическому генетическому подходу, исследователь затем находит (наносит на карту) ген на его хромосоме путем скрещивания с людьми, несущими другие необычные черты, и собирает статистику о том, как часто эти два признака наследуются вместе. Классические генетики использовали бы фенотипические признаки для картирования новых мутантных аллелей. В конце концов есть надежда, что такие экраны достигнут достаточно большого масштаба, чтобы большинство или все вновь сгенерированные мутации представляли собой второе попадание в локус, по существу насыщая геном мутациями. Этот тип насыщающего мутагенеза в классических экспериментах использовался для определения наборов генов, которые были минимумом для появления определенных фенотипов. [13] Однако такие начальные скрининги были либо неполными, так как в них отсутствовали повторяющиеся локусы и эпигенетические эффекты, и такие скрининга было трудно провести для определенных фенотипов, которые не имели фенотипов, поддающихся непосредственному измерению. Кроме того, классический генетический подход занимает значительно больше времени.
История
Грегор Мендель экспериментировал с фенотипами растений гороха и опубликовал свои выводы о генах и наследовании в 1865 году. [5] Примерно в начале 1900-х Томас Хант Морган мутировал дрозофилу, используя радий, и пытался найти наследственные мутации. [14] Альфред Стертевант позже начал картировать гены дрозофилы с мутациями, за которыми они наблюдали. [15] В 1990-х годах для лучшего понимания генов дрозофилы, важных для развития от эмбриона до взрослой мухи, использовались методы прямой генетики . [16] В 1995 году Нобелевская премия была присуждена Кристиане Нюсслейн, Эдварду Льюису и Эрис Вишаус за их работы в области генетики развития. [16] Геном человека был нанесен на карту, и его последовательность была опубликована в 2003 году . [17] Возможность идентифицировать гены, которые способствуют менделевским расстройствам, улучшилась с 1990 года в результате достижений в области генетики и технологий. [8]
Смотрите также
- Обратная генетика
Рекомендации
- ^ "Что такое область обратной генетики" . Innovateus . Проверено 13 ноября 2014 .
- ^ а б в г д е Парш Дж. "Прямая и обратная генетика" (PDF) . Людвиг-максимилианцы-университат Мюнхена. Архивировано из оригинального (PDF) 13 декабря 2014 года . Проверено 31 октября 2014 года .
- ^ Moresco EM, Li X, Beutler B (май 2013 г.). «Продвигаясь вперед с генетикой: последние технологические достижения и передовая генетика у мышей» . Американский журнал патологии . 182 (5): 1462–73. DOI : 10.1016 / j.ajpath.2013.02.002 . PMC 3644711 . PMID 23608223 .
- ^ Мудрый Калифорния, Риос Дж. Дж. (2015). Молекулярная генетика детских ортопедических заболеваний . Springer Нью-Йорк. ISBN 978-1-4939-2169-0. OCLC 974389354 .
- ^ а б в г д е Браун ТА (2018). Геномы 4 (Четвертое изд.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк. ISBN 978-0-8153-4508-4. OCLC 965806746 .
- ^ а б в Хантер С. "Перспективные темы генетики" . UCSanDiego. Архивировано из оригинального 15 декабря 2014 года . Проверено 7 ноября 2014 года .
- ^ Хартвелл Л. (14 сентября 2010 г.). Генетика от генов к геномам (Четвертое изд.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Макгроу-Хилл. п. G-11. ISBN 978-0-07-352526-6.
- ^ а б в Стернс С (2008). Эволюция здоровья и болезней . Нью-Йорк: ISBN Oxford University Press Inc. 978-0-19-920746-6.
- ^ Beutler B (декабрь 2016 г.). «Врожденный иммунитет и новая передовая генетика» . Лучшие практики и исследования. Клиническая гематология . 29 (4): 379–387. DOI : 10.1016 / j.beha.2016.10.018 . PMC 5179328 . PMID 27890263 .
- ^ а б Страчан Т, прочтите А (1999). Молекулярная генетика человека 2 (2-е изд.). Нью-Йорк: Наука о гирляндах. п. Глава 15 . ISBN 978-1-85996-202-2. Проверено 31 октября 2014 года .
- ^ Gurumurthy CB, Grati M, Ohtsuka M, Schilit SL, Quadros RM, Liu XZ (сентябрь 2016 г.). «CRISPR: универсальный инструмент для прямых и обратных генетических исследований» . Генетика человека . 135 (9): 971–6. DOI : 10.1007 / s00439-016-1704-4 . PMC 5002245 . PMID 27384229 .
- ^ Ромменс Дж. М., Яннуцци М. С., Керем Б., Драмм М. Л., Мелмер Дж., Дин М., Розмахель Р., Коул Дж. Л., Кеннеди Д., Хидака Н. (сентябрь 1989 г.). «Идентификация гена муковисцидоза: ходьба и прыжки по хромосомам». Наука . 245 (4922): 1059–65. Bibcode : 1989Sci ... 245.1059R . DOI : 10.1126 / science.2772657 . PMID 2772657 .
- ^ Гибсон Дж., Муза С.В. (2009). Учебник по геномной науке (третье изд.). Sinauer Press.
- ^ Гамильтон V (19 июля 2016 г.). «Тайны жизни» . Институт истории науки . Проверено 25 сентября 2018 .
- ^ «Обзор проекта генома человека» . Национальный институт исследования генома человека (NHGRI) . Проверено 25 сентября 2018 .
- ^ а б Гилберт С (2014). Биология развития . Сазерленд, Массачусетс: ISBN Sinauer Associates Inc. 978-0-87893-978-7.
- ^ «Обзор проекта генома человека» . Национальный институт исследования генома человека (NHGRI) . Проверено 25 сентября 2018 .