Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Для нетехнического введения в тему см. Введение в генетику .
Часть серии по
Генетика
Гибридогенез в водных лягушках gametes.svg
 
Ключевые компоненты
История и темы
Исследование
Персонализированная медицина
Персонализированная медицина

Молекулярная генетика - это подраздел биологии, изучающий то, как различия в структурах или экспрессии молекул ДНК проявляются как различия между организмами. Молекулярная генетика часто применяет «исследовательский подход» для определения структуры и / или функции генов в геноме организма с помощью генетических скринингов . [1] [2]   Область исследования основана на слиянии нескольких подразделов биологии: классическая менделевская наследственность , клеточная биология , молекулярная биология , биохимия и биотехнология.. Исследователи ищут мутации в гене или вызывают мутации в гене, чтобы связать последовательность гена с определенным фенотипом. Молекулярная генетика - это мощная методология связывания мутаций с генетическими состояниями, которая может помочь в поиске методов лечения различных генетических заболеваний.

История [ править ]

Для того чтобы молекулярная генетика развивалась как дисциплина, потребовалось несколько научных открытий. Открытие ДНК как средства передачи генетического кода жизни от одной клетки к другой и от поколения к поколению имело важное значение для идентификации молекулы, ответственной за наследственность.  Уотсон и Крик (вместе с Франклином и Уилкинсом ) выяснили структуру ДНК, краеугольного камня молекулярной генетики. [3]   Выделение эндонуклеазы рестрикции в E. coli Арбером и Линном в 1969 году открыло область генной инженерии . [4]  Рестрикционные ферменты использовали для линеаризации ДНК для разделения с помощью электрофореза, а саузерн-блоттинг позволял идентифицировать специфические сегменты ДНК с помощью гибридизационных зондов . [5] [6] В 1971 году Берг использовал рестрикционные ферменты для создания первой рекомбинантной молекулы ДНК и первой плазмиды рекомбинантной ДНК . [7]   В 1972 году Коэн и Бойер создали первый рекомбинантный ДНК-организм, вставив рекомбинантные ДНК-плазмиды в E. coli , что теперь известно как бактериальная трансформация , и проложили путь к молекулярному клонированию. [8]   Развитие секвенирования ДНКМетоды, разработанные в конце 1970-х годов, сначала Максамом и Гилбертом, а затем Фредериком Сэнгером , сыграли решающую роль в молекулярно-генетических исследованиях и позволили ученым начать проведение генетических скринингов, чтобы связать генотипические последовательности с фенотипами . [9] Полимеразная цепная реакция (ПЦР) с использованием полимеразы Taq, изобретенная Муллисом в 1985 году, позволила ученым создать миллионы копий определенной последовательности ДНК, которые можно было использовать для трансформации или манипулировать с помощью разделения в агарозном геле . [10] Десятилетием позже был секвенирован первый полный геном ( Haemophilus influenzae ), за которым последовало последующее секвенирование генома человека в рамках проекта Human Genome Project в 2001 году.[11] Кульминацией всех этих открытий стала новая область, называемая геномикой, которая связывает молекулярную структуру гена с белком или РНК, кодируемыми этим сегментом ДНК, и функциональную экспрессию этого белка в организме. [12] Сегодня, благодаря применению молекулярно-генетических методов, геномика изучается на многих модельных организмах, и данные собираются в компьютерных базах данных, таких как NCBI и Ensembl . Компьютерный анализ и сравнение генов внутри и между разными видами называется биоинформатикой и связывает генетические мутации в эволюционном масштабе. [13]

Центральная догма [ править ]

Это изображение показывает пример центральной догмы с использованием транскрибируемой, а затем транслируемой цепи ДНК и показывает важные ферменты, используемые в процессах.

На этом изображении показан пример центральной догмы с использованием транскрибируемой, а затем транслируемой цепи ДНК и показаны важные ферменты, используемые в процессах.

Центральная догма является основой всех генетики и играет ключевую роль в изучении молекулярной генетики. Центральная догма гласит, что ДНК реплицируется, ДНК транскрибируется в РНК, а РНК транслируется в белки. [14] Наряду с центральной догмой генетический код используется для понимания того, как РНК транслируется в белки. Репликация ДНК и транскрипция ДНК в мРНК происходит в митохондриях, в то время как трансляция из РНК в белки происходит в рибосоме . [15]Генетический код состоит из четырех пар оснований: аденина, цитозина, урацила и гуанина и является избыточным, что означает, что несколько комбинаций этих пар оснований (которые считываются в трех экземплярах) производят одну и ту же аминокислоту. [16] Протеомика и геномика - это области биологии, которые возникли в результате изучения молекулярной генетики и Центральной догмы. [17]

Методы [ править ]

Прямая генетика [ править ]

Прямая генетика - это метод молекулярной генетики, используемый для идентификации генов или генетических мутаций, которые производят определенный фенотип . При генетическом скрининге случайные мутации генерируются с помощью мутагенов (химикатов или радиации) или транспозонов, и люди проходят скрининг на определенный фенотип. Часто вторичный анализ в форме отбора может следовать за мутагенезом, когда желаемый фенотип трудно наблюдать, например, в бактериях или культурах клеток. Клетки можно трансформировать с использованием гена устойчивости к антибиотикам или флуоресцентного репортера.так что мутанты с желаемым фенотипом выбираются из немутантов. [18]

Мутанты, проявляющие интересующий фенотип, выделяются, и может быть проведен тест комплементации, чтобы определить, является ли фенотип результатом более чем одного гена. Затем мутантные гены характеризуются как доминантные (приводящие к усилению функции), рецессивные (демонстрирующие потерю функции) или эпистатические (мутантный ген маскирует фенотип другого гена). Наконец, местоположение и специфический характер мутации картируются с помощью секвенирования . [19] Прогрессивная генетика - это беспристрастный подход, который часто приводит ко многим неожиданным открытиям, но может быть дорогостоящим и отнимать много времени. Модельные организмы, такие как нематодный червь Caenorhabditis elegans , плодовая мухаDrosophila melanogaster и рыбка данио Danio rerio были успешно использованы для изучения фенотипов, возникающих в результате генных мутаций. [20]

[21] Пример прямой генетики C. elegans (нематоды) с использованием мутагенеза.

Обратная генетика [ править ]

Диаграмма, иллюстрирующая процесс разработки вакцины от птичьего гриппа с помощью методов обратной генетики

Обратная генетика - это термин, обозначающий методы молекулярной генетики, используемые для определения фенотипа, возникшего в результате преднамеренной мутации в интересующем гене. Фенотип используется для определения функции немутантной версии гена. Мутации могут быть случайными или преднамеренными изменениями интересующего гена. Мутации могут быть ошибочно воспринимаемыми мутациями, вызванными заменой нуклеотидов, добавлением или удалением нуклеотидов, вызывающими мутацию сдвига рамки считывания , или полным добавлением / удалением гена или сегмента гена. Удаление определенного гена вызывает нокаут гена, когда ген не экспрессируется, и приводит к потере функции (например, мыши с нокаутом). Мутации, связанные с неправильным восприятием, могут вызвать полную потерю функции или привести к частичной потере функции, известной как нокдаун. Нокдаун также может быть достигнут с помощью РНК-интерференции (РНКи). [22] Альтернативно, гены могут быть заменены в геном организма (также известный как трансген ), чтобы создать « нокаут» гена и привести к усилению функции хозяином. [23] Хотя эти методы имеют некоторую врожденную предвзятость в отношении решения связать фенотип с определенной функцией, они намного быстрее с точки зрения производства, чем прямая генетика, потому что интересующий ген уже известен.

См. Также [ править ]

  • Комплементация (генетика)
  • Повреждение ДНК (естественное)
  • Теория повреждений ДНК старения
  • Эпигенетика
  • Картирование генов
  • Генетический код
  • Генетическая рекомбинация
  • Геномный импринтинг
  • История генетики
  • Гомологичная рекомбинация
  • Мутагенез
  • Регулирование экспрессии генов
  • Хронология истории генетики
  • Трансформация (генетика)

Источники и примечания [ править ]

  1. ^ Уотерс, Кен (2013), «Молекулярная генетика» , в Залте, Эдвард Н. (ред.), Стэнфордская энциклопедия философии (издание осень 2013 г.), Исследовательская лаборатория метафизики, Стэнфордский университет , получено 7 октября 2019 г.
  2. ^ Альбертс, Брюс (2014-11-18). Молекулярная биология клетки (Шестое изд.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк. ISBN 9780815344322. OCLC  887605755 .
  3. ^ Тобин, Мартин Дж. (2003-04-15). «25 апреля 1953 года». Американский журнал респираторной медицины и реанимации . 167 (8): 1047–1049. DOI : 10.1164 / rccm.2302011 . ISSN 1073-449X . PMID 12684243 .  
  4. ^ «В центре внимания рестрикционные ферменты | Изучите науку в Scitable» . www.nature.com . Проверено 7 октября 2019 .
  5. ^ Ригетти, Pier Giorgio (24 июня 2005). «Электрофорез: марш грошей, марш грошей». Журнал хроматографии A . 1079 (1-2): 24-40. DOI : 10.1016 / j.chroma.2005.01.018 . PMID 16038288 . 
  6. ^ "Южный блоттинг | Центр обучения MyBioSource" . Проверено 11 ноября 2019 .
  7. ^ "Профессор Пол Берг | Биографическое резюме" . WhatisBiotechnology.org . Проверено 7 октября 2019 .
  8. ^ "Герберт В. Бойер и Стэнли Н. Коэн" . Институт истории науки . 2016-06-01 . Проверено 7 октября 2019 .
  9. ^ «Секвенирование ДНК | генетика» . Британская энциклопедия . Проверено 7 октября 2019 .
  10. ^ «Изобретение ПЦР» . Bitesize Bio . 2007-10-24 . Проверено 7 октября 2019 .
  11. ^ «Хронология: организмы, чьи геномы были секвенированы» . твой геном . Проверено 7 октября 2019 .
  12. ^ "Что такое геномика?" . EMBL-EBI Поезд онлайн . 2011-09-09 . Проверено 7 октября 2019 .
  13. ^ «Что такое биоинформатика? Предлагаемое определение и обзор области». Методы информации в медицине . 40 (2). 2001. DOI : 10,1055 / с-008-38405 . ISSN 0026-1270 . 
  14. ^ "Центральная догма | Протокол" . www.jove.com . Проверено 4 декабря 2020 .
  15. ^ «Транскрипция, перевод и тиражирование» . www.atdbio.com . Проверено 4 декабря 2020 .
  16. ^ «Генетический код» . Genome.gov . Проверено 4 декабря 2020 .
  17. ^ «Краткое руководство по геномике» . Genome.gov . Проверено 4 декабря 2020 .
  18. ^ «Селекция против скрининга в направленной эволюции», « Направленная эволюция селективных ферментов» , John Wiley & Sons, Ltd, 2016, стр. 27–57, doi : 10.1002 / 9783527655465.ch2 , ISBN 978-3-527-65546-5
  19. ^ Шнеебергер, Корбиниан (20 августа 2014). «Использование секвенирования следующего поколения для выделения мутантных генов от прямого генетического скрининга». Природа Обзоры Генетики . 15 (10): 662–676. DOI : 10.1038 / nrg3745 . hdl : 11858 / 00-001M-0000-0024-CF80-4 . ISSN 1471-0056 . PMID 25139187 . S2CID 1822657 .   
  20. ^ Лоусон, Натан Д .; Вулф, Скотт А. (19 июля 2011 г.). «Прямые и обратные генетические подходы к анализу развития позвоночных у рыбок данио» . Клетка развития . 21 (1): 48–64. DOI : 10.1016 / j.devcel.2011.06.007 . ISSN 1534-5807 . PMID 21763608 .  
  21. ^ Кучер, Лена М. (2014). «Прямой и обратный мутагенез у C. elegans» . WormBook : 1-26. DOI : 10.1895 / wormbook.1.167.1 . PMC 4078664 . PMID 24449699 .  
  22. ^ Харди, Серж; Леганьё, Винсент; Аудик, Янн; Пайлард, Люк (октябрь 2010 г.). «Обратная генетика у эукариот» . Биология клетки . 102 (10): 561–580. DOI : 10.1042 / BC20100038 . PMC 3017359 . PMID 20812916 .  
  23. ^ Дойл, Альфред; МакГарри, Майкл П .; Ли, Нэнси А .; Ли, Джеймс Дж. (Апрель 2012 г.). «Конструирование трансгенных и генных моделей нокаут / нокаут у мышей болезней человека» . Трансгенные исследования . 21 (2): 327–349. DOI : 10.1007 / s11248-011-9537-3 . ISSN 0962-8819 . PMC 3516403 . PMID 21800101 .   

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Сайты и базы данных, связанные с генетикой, цитогенетикой и онкологией , в Атласе генетики и цитогенетики в онкологии и гематологии
  • Джереми В. Дейл и Саймон Ф. Парк. 2010. Молекулярная генетика бактерий, 5-е издание ISBN 978-0470741849 

Внешние ссылки [ править ]

  • СМИ, связанные с молекулярной генетикой, на Викискладе?
  • NCBI: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/About/primer/genetics_molecular.html