Термины геномики и молекулярной генетики. Определения

Добавил пользователь Владимир З.
Обновлено: 21.12.2024

Что такое генетика

Генетика — это наука, изучающая два важнейших свойства живых организмов: наследственность и изменчивость. Наследственность — это способность сохранять и передавать следующим поколениям особенности строения и развития. Набор характерных признаков у некоторых видов, например у опоссума, практически не изменился за миллионы лет.

Изменчивость — это вариативность передачи признаков потомству, а также способность генов менять свою структуру. Существуют следующие типы изменчивости:

Наследственная. В результате мутаций меняется структура гена или хромосомы. Также возможны геномные мутации — изменение числа хромосом и перекомбинация, приводящая к новому сочетанию генов. Например, при скрещивании белых и черных кроликов есть вероятность появления потомства с сизо-голубой шерстью. Новый признак передается по наследству.

Ненаследственная (модификационная). Изменения под воздействием окружающей среды не передаются по наследству, так как генотип остается прежним. Заметим, что такие изменения могут быть как обратимыми, например загар, так и необратимыми — рубцы или шрамы.

Онтогенетическая. Проявляется в процессе развития организма. Например, серо-бурые птенцы лебедя, вырастая, становятся белоснежными.

Наследственность и изменчивость, с одной стороны, обеспечивают сохранение признаков вида, а с другой — их разнообразие.

Разделы генетики

Современная генетика имеет множество направлений. Так, молекулярная генетика изучает закономерности и механизмы сохранения, передачи и воспроизводства признаков на молекулярном уровне. Соответствующие исследования позволяют выявить предрасположенность человека к определенным заболеваниям и оценить вероятность их развития. Медицинская генетика направлена на диагностику, профилактику и лечение наследственных болезней. Например, скрининг эмбриона позволяет снизить риски рождения больного потомства.

Важнейшее направление — генетика человека. Выяснилось, что внутри нашей ДНК буквально кишат молекулярно-генетические паразиты, в том числе эндогенные ретровирусы. Они могут быть представлены в виде фрагментов, не способных вызвать инфекцию, или провирусов, активизирующихся на фоне ослабленного иммунитета. Ретровирусы передаются по наследству, многие из них встроились в структуру генома человека более 25 млн лет назад.

Ученые собирают цифровую библиотеку ДНК всех живых существ на Земле

В работе участвуют 5 тыс. специалистов из 22 стран со всех континентов

Этапы развития генетики

Задолго до того, как генетика была признана наукой, люди занимались селекцией, отбирая самых выносливых лошадей, самых удойных коров, самых преданных собак, среди растений отбирались те, у которых были самые крупные плоды и так далее. Со временем было выведено множество пород животных и сортов растений с определенными качествами. Например, удалось получить сорта сахарной свеклы, которые содержали в три раза больше сахара, чем исходные.

В 1865 году чешский ученый Грегор Мендель обнаружил, что при скрещивании двух чистых линий гороха с желтыми и зелеными семенами первое поколение гибридов будет иметь желтые семена, а во втором у 75% растений семена будут желтыми, у 25% — зелеными. На основании этих результатов Мендель сформулировал законы наследования признаков от родительских организмов к их потомкам.

В 1900 году трое ученых — Карл Корренс из Германии, Эрих Чермак из Австрии и Гуго де Фриз из Голландии независимо друг от друга подтвердили закономерности наследования, установленные Менделем. Этот год считается датой зарождения генетики как науки, но сам термин «генетика» был введен лишь в 1906 году английским биологом Уильямом Бэтсоном.

В развитии современной генетики выделяют три основных этапа.

Первый этап (1900–1910 годы)

Были проведены многочисленные эксперименты, подтвердившие концепцию Менделя. Удалось доказать, что установленные ученым законы применимы ко всем организмам, размножающимся половым путем.

В 1901 году голландский ботаник Гуго де Фриз ввел понятие «мутация» — внезапное изменение наследственного признака. Этот термин использовали и раньше, но для обозначения ископаемых останков животных, сильно отличавшихся от современных особей.

В 1902-1903 годах американский генетик Уолтер Стэнборо Саттон выяснил, что наследственные факторы находятся в хромосомах. А в 1909-м датский биолог Вильгельм Иогансен ввел понятия «ген», «генотип» (совокупность генов организма), «фенотип» (внешние и внутренние признаки организма, которые он приобрел в процессе индивидуального развития). Сначала ученые считали, что каждый ген отвечает за наследование одного признака. Но в ходе исследований удалось доказать, что признаки кодируются группами генов.

С 1910 года американский генетик Томас Морган начал эксперименты с плодовой мушкой дрозофилой. У этих насекомых гены, отвечающие за окраску тельца и длину крыльев, находились в одной хромосоме. Когда ученый скрестил черную самку с короткими крыльями и серого самца с крыльями средней длины, одна половина потомства унаследовала окраску и длину крыльев самки, а вторая — оба признака самца. Оказалось, что расположенные в одной хромосоме гены наследуются вместе.

Второй этап (1911–1953 годы)

К середине 1920-х годов на основании исследования американского биолога-генетика Томаса Моргана была выведена хромосомная теория наследственности. Согласно этой теории, гены в хромосоме соединены в так называемые группы сцепления. Обычно они наследуются совместно, но иногда могут создавать новые комбинации благодаря кроссинговеру — обмену генами между ранее сцепленными группами.

В 1920 году русский ученый-генетик Николай Вавилов сформулировал закон гомологических рядов. Согласно его теории, виды, имеющие общее происхождение, объединены схожими формами наследственной изменчивости. Например, у крыс, морских свинок, кроликов и мышей есть одинаковые гены, отвечающие за окрас шерсти.

В 1929 году русские генетики Александр Серебровский и Николай Дубинин сформулировали гипотезу о делимости гена, а также ввели понятие «генофонд популяции». Это совокупность всех генов особей одного вида (популяции), долгое время обитающих на одной территории обособленно от других групп своих сородичей.

Третий этап (с 1953-го по настоящее время)

В 1953 году ученые Френсис Крик и Джеймс Уотсон «открыли секрет жизни» — разгадали структуру молекулы ДНК, в которой содержится биологическая информация об организме в виде генетического кода. В 1962 году эта работа была награждена Нобелевской премией. Благодаря разгадке ДНК открылись новые возможности в медицине. Например, был разработан инсулин для больных сахарным диабетом и вакцина, предупреждающая заражение гепатитом.

Ученые-генетики начали использовать методы и принципы точных наук, в том числе химии, математики, кибернетики, физики. Наследственность стали изучать на молекулярном уровне. В результате ученым удалось установить, что живые организмы способны передавать по наследству тип обмена веществ.

В 2003 году в США была завершена расшифровка генома человека, практически всей последовательности 3 млрд пар нуклеотидных оснований. Расшифровка велась в течение 13 лет и стоила миллиарды долларов. Генетический анализ дает возможность узнать о предрасположенности человека к развитию целого ряда заболеваний, таких как рак, диабет, атеросклероз, гипертония, остеопороз, и вовремя начать их профилактику.

Краткий словарь основных понятий и терминов, использующихся в генетике

Для понимания того, с чем работает наша компания и зачем эта работа нужна, какие результаты мы получаем и что они вам расскажут, можно прийти на консультацию к специалистам ЦГРМ «ГЕНЕТИКО». А для того, чтобы Вы не забыли, о чем был разговор, и не утонули в море новой информации, мы составили для Вас небольшой словарик основных понятий и терминов, использующихся в генетике.

Основным положением биологической науки является то, что клетка – это самое маленькое из возможных проявление жизни и что новая клетка может появиться только от уже существующей и никак не может возникнуть сама по себе. Конечно, это приводит к большому количеству вопросов о том, как зародилась жизнь и каким образом могла сформироваться самая первая клетка. Но для удобства будем считать обозначенные положения верными в современной реальности планеты Земля, где мы живем. Несмотря на невообразимо огромное разнообразие живых существ, все они состоят из клеток. И у всех клеток есть схожие черты, которые обусловлены самыми простыми жизненными необходимостями. Во-первых, клетка должна как-то отделяться от внешнего пространства – для этого есть специальная оболочка.

Во-вторых, клетка должна питаться – для этого есть разные системы, способные преобразовать энергию света или химических связей в необходимые для жизни вещества и удобную для использования энергию. И еще клетка умеет размножаться. Для выполнения всех этих функций необходимы механизмы, основу которых составляют белки и РНК. А вот инструкция, как эти молекулы должны выглядеть и работать, хранится в специальном отсеке клетки – ядре – в виде ДНК. Ошибки в этой инструкции, которая разрабатывалась миллионы лет, приводят к смерти клетки. А в многоклеточном организме, таком, как у человека, например, клетки взаимодействуют друг с другом, поэтому нарушение в работе одной или нескольких клеток может привести не к смерти всего организма, а к нарушениям его работы – заболеваниям. Также необходимо помнить, что человеческий организм огромная система, ансамбль миллионов разнообразных маленьких организмов, которые выросли из одной единственной клетки – зиготы – результата слияния яйцеклетки и сперматозоида.

ДНК – ДезоксиРибонуклиновая Кислота – полимер, то есть молекула с большим количеством последовательно повторяющихся структурных элементов, который несет всю информацию о генах и белках, необходимых для жизни всего организма. ДНК является картотекой, библиотекой и матрицей, с которой считывается информация в определенной последовательности и определенных условиях, разъяснения о которых записаны как в самой ДНК, так и с помощью различных дополнительных модификаций этой молекулы. Каждой хромосоме соответствует 1 молекула ДНК. Структурными блоками этого полимера являются дезоксирибонуклеотиды (=нуклеотиды), которые бывают 4х видов (А, Т, Г, Ц).

Последовательность ДНК – это то, в каком порядке в молекуле ДНК идут ее структурные элементы – нуклеотиды. Таким образом, генетической информацией является именно последовательность ДНК, а молекула ДНК является ее физическим носителем.

Хромосома – это молекула ДНК, специальным образом обернутая различными белками, которые помогают управляться с такой длинной молекулой, чтобы она не порвалась, не перепуталась с другими ДНК-молекулами и была физически доступна для белков, осуществляющих работу всего генетического аппарата.

РНК –РибоНуклиновая Кислота – полимер, который выполняет функциональную роль переносчика информации, то есть копии, которая делается с ДНК и используется для создания функциональных молекул: специальных РНК или белков. Специальные молекулы РНК могут не являться матрицами, на базе которых синтезируется белок, а сами выполняют структурные, ферментативные или транспортные функции. Главное, что последовательность структурных блоков в молекуле РНК всегда определена последовательностью ДНК соответствующего участка.

Белок – основная функциональная единица живой клетки с самым широчайшим спектром функций и возможностей. Как ДНК и РНК, является полимером, однако имеет химически иные структурные блоки – аминокислоты. Их последовательность, с одной стороны, напрямую зависит от соответствующей последовательности ДНК и может изменяться только в ограниченных и предусмотренных в ДНК инструкций, с другой стороны является основой структуры, в том числе пространственной, возможностей и функции белков разных типов.

Ген – определение гена включает два аспекта: теоретический и физический. Теоретически, то есть умозрительно, геном называют последовательность ДНК (слово, записанное на языке генетики), обладающее определенными свойствами. Как и слово в языке, ген является основой наследственной информации, в то время как различные другие структуры можно отнести к знакам препинания или вспомогательным элементам. Ген является подробной инструкцией для синтеза белка или специфической РНК, которую он кодирует. Причем эта инструкция описывает не только последовательность молекул, но и то в каких условиях и как они должны работать и выполнять свои функции. С физической, то есть материальной, точки зрения, ген – это часть молекулы ДНК с определенными структурными элементами. Как внутри слова есть приставка, корень, суффикс и окончание, позволяющие слову адаптироваться для каждой конкретной фразы, так и у гена есть промотор, экзоны и интроны. Первый обозначает начало гена, экзоны – это ключевая информация о последовательности РНК или белка, а интроны необходимы для регуляции и тонкой настройки работы гена в условиях разных тканей, органов и изменяющейся окружающей среды.

Экспрессия гена – это эффективность работы гена, так как для его функционирования недостаточно его наличия в геноме – с него должна считываться информация. Именно то, как часто и в каком объеме считывается информация с гена, выражают термином экспрессия.

Локус – участок молекулы ДНК, содержащий различный структурные элементы, в том числе один или несколько генов.

Геном– это последовательность всех молекул ДНК организма. Важно помнить, что в каждой клетке одного организма в норме содержатся одинаковые по количеству и последовательностям молекулы ДНК, а различается экспрессия конкретных генов.

Экзом – это последовательности ДНК экзомных участков генов, то есть так называемая основная кодирующая составляющая. Это то, с чем работает организм, в то время как остальная часть генома объясняет, как работать и в каких условиях как применять и настраивать кодирующую часть генома.

Мутация – изменение последовательности ДНК по сравнению другими клетками организма или другими представителями вида. Мутации могут возникать как из-за воздействия внешних неблагоприятных условий, так и из-за того, что наши ферменты работают пусть с редкими, но ошибками. Так как происходит физическое изменение в носителе информации – ДНК, такое изменение может передаваться из поколения в поколение.

Частота мутаций — относительное значение, показывающее у какой доли людей в геноме есть конкретная мутация. Частоту мутации можно рассчитать, как среднюю для всех людей, так и отдельно по расовым или национальным, или любы другим группам. В медицинской генетике под мутацией подразумевают изменение ДНК, которое может быть связано с каким-то заболеванием, и противопоставляют ее полиморфизму. Хотя по общей логике полиморфизм – это частный случай мутации.

Полиморфизм – нейтральная, а точнее безвредная, мутация, которая сравнительно часто встречается у какой-то группы организмов одного вида. Некоторые мутации встречаются часто у всех людей, некоторые – только среди представителей определенных рас или народностей.

Аллель – вариант последовательности гена в разном виде: от различия в одной букве последовательности до отсутствия целого куска последовательности или вставке лишнего. Эти различия возникают из-за мутации, которая могла произойти у далекого предка и передаться потомству через поколения. Таким образом, каждый ген у отдельного человека может быть представлен конкретным вариантом – аллелем. Для понимания аллелизма необходимо объяснить, что, например, различия в цвете глаз, волос, росте, чувствительности к алкоголю объясняются именно разными аллельными состояниями соответствующих генов.

Генотип – это все гены конкретной особи с указанием аллельного состояния каждого гена и наличия/отсутствия мутаций в межгенных участках ДНК.

Доминантный аллель. В геноме человека содержится по 2 копии каждой хромосомы. Это означает, что в каждом геноме есть две очень похожие по длине и последовательности генов молекулы ДНК, которые отличаются аллельными состояниями генов и мутациями/полиморфизмами в межгенных участках этих молекул ДНК. Из этого следует, что и каждый ген представлен в геноме 2 копиями, каждая из которых может быть определенным вариантом (аллелем) этого гена. Доминантным аллелем называется тот, одной копии которого достаточно для проявления его особенностей. То есть если хотя бы на одной из хромосом ген находится в состоянии доминантного аллеля, то ген будет работать по тому варианту, который описывается именно этим аллелем. Важно, что так как у одного гена может быть более двух вариантов (аллелей), то и доминантность аллеля определяется по отношению к каждому из вариантов, хотя есть и те, которые доминантны по сравнению со всеми другими. Встречаются варианты с одинаковой предпочтительностью для работы, тогда проявляется совместное влияние этих вариантов.

Рецессивный аллель – по аналогии с доминантным аллелем, это такое состояние гена, которое наименее предпочтительно для проявления. Поэтому если в геноме есть другая копия гена, доминантная, то задавать темп работы гена будет именно она, но если и вторая копия гена представлена рецессивным аллелем, то будет работать этот, хотя менее предпочтительный, но в такой ситуации единственно имеющийся вариант. Хотя в большинстве случаев связанные с возникновением заболевания аллели рецессивны, это вредность/полезность не является единственным определяющим фактором рецессивности/доминантности аллеля.

Гомозигота. Гомозиготой по определенной мутации/полиморфизму/аллелю называют такую клетку или организм, в генотипе которой/которого обе копии гена на двух хромосомах представлены одним вариантом, то есть не отличаются по этой мутации/полиморфизму/аллелю.

Гетерозигота. Гетерозиготой по определенной мутации/полиморфизму/аллелю называют такую клетку или организм, в генотипе которой/которого две копии гена на двух хромосомах представлены разными вариантами, то есть отличаются по этой мутации/полиморфизму/аллелю.

Секвенирование – это группа методов, позволяющая узнать последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК. Этот метод обладает некоторыми особенностями. Во-первых, пока что ни один способ секвенирования не позволяет прочитать всю последовательность одной хромосомы, чтение идет сравнительно небольшими отрезка от 50 до несколько тысяч нуклеотидов. Во-вторых, почти все методы устроены так, что из кусочка ДНК делается много одинаковых и читаются они все. Эта особенность проявляется в таком параметре секвенирования, как глубина секвенирования, обозначаемая 10Х, 20Х, 50Х. Чем больше это значение, тем больше раз прочитан один и тот же кусок молекулы, тем точнее можно выявить ошибки секвенирования и особенности участка, например, его гетерозиготность по какой-либо мутации/полиморфизму.

Гаплотип — совокупность состояний/вариантов определенных локусов, которые расположены на одной хромосоме, и вследствие структурных особенностей эти состояния всегда наследуются вместе. То есть, например, если в одном локусе (1) гаплотипа имеется мутация (1А), а в другом (2) имеется уже другая мутация (2M), то именно в таком составе они будут наследоваться (1А2М), а смешанных вариантов (1B2M или 1A2N) не бывает или они относятся к другому гаплотипу.

Гаплогруппа — совокупность особей, имеющих сходный гаплотип по определенным локусам, которые задаются в соответствии с тем, какую задачу нужно решить, определяя гаплогруппу

Митохондриальная ДНК. Если разбираться подробнее и глубже, то генетическая информация одного человека находится не только в 46 хромосомах, располагающихся в специальном отсеке клетки – ядре, но и в клеточных органах митохондриях. У митохондрий в клетке своя задача – преобразовывать энергию, заключенную в химической связи определенных атомов, в более удобную для клетки, то есть они готовят эффективные питательные запасы из разного сырья. Митохондрии довольно сложны, их оболочка хитро устроена, чтобы опасные побочные продукты готовки не могли попасть в остальную часть клетки, поэтому все время таскать туда нужные для их работы белки не слишком продуктивно. Таким образом, у них есть своя ДНК, которая несет информацию о разных особенных белках и РНК, которые нужны именно для работы митохондрии. Такую ДНК называют митохондриальной и она является неотъемлемой и обязательной частью нашего генотипа. Передается она только от мамы, так как сперматозоид для возможности быстро перемещаться и долго оставаться живым несет самый минимум необходимой генетической информации – 23 хромосомы. А вот яйцеклетка, которой для выполнения основной функции не нужно находится в агрессивной окружающей среде, может позволить себе бОльшую массу и дополнительные запасы в виде готовых к работе станций приготовления питания – митохондрий и заранее синтезированных белков и РНК.

Гены половой дифференцировки – группа генов, играющая ведущую роль в определении будет эмбрион развиваться как девочка или как мальчик. В геноме человека основой проявления мужских или женских половых признаков является наличие/отсутствие половой хромосомы Y, а именно особо локуса этой хромосомы – SRY (Sex-determining Region on the Y chromosome). Важно отметить, что нарушения в этом локусе могут приводить не к внешним проявлениям, а к сниженной репродуктивной способности мужчины или ее полному отсутствию. Процесс дифференцировки пола у человека можно представить тремя стадиями: 1) какой набор хромосом получается при слиянии яйцеклетки (всегда несет хромосому X) и сперматозоида (с хромосомой X или Y), 2) формирование женских или мужских половых органов в зависимости от работы генов локуса SRY, 3) развитие вторичных половых органов в соответствии с типом половых органов. Нарушения на разных этапах приводят к разным проявлениям и разным заболеваниям.

Локус AZF – это участок Y-хромосомы, на котором располагаются так называемые факторы азооспермии (AZF — AZoospermia Factors). Это особые участки, которые названы так, потому что если какой-то из них отсутствует из-за мутации, то развивается азооспермия (отсутствие сперматозоидов) или олигозооспермия (малое количество сперматозоидов). Всего обнаружено три таких фактора AZFa, AZFb и AZFc. В норме наличие всех трех является минимальным необходимым условием нормального формирования сперматозоидов. Если в геноме отсутствует один из AZFa и AZFb или оба, то нарушается созревание сперматозоидов и, как следствие, полностью отсутствует репродуктивная функция. При отсутствии локуса AZFc нарушения могут быть не столь сильными, поэтому деторождение остается возможным в некоторых случаях.

Хромосомные аномалии – это крупные мутации, которые связаны с изменением последовательности ДНК не в рамках отдельного гена или нескольких, а в масштабе хромосомы или генома. Например, отсутствие (делеция) большой части или всей хромосомы, лишняя хромосома, или часть одной хромосомы соединена с частью другой хромосомы и т.д.

Наследственное заболевание – это заболевание, вызванное нарушениями в геноме, то есть мутациями, которые либо мешают формированию нормального белка (так как ген – инструкция по его построению – поврежден), либо изменяют регуляцию, то есть условия, когда, в каком месте или с кем такой белок или ген должен работать.

Моногенное заболевание – это наследственное заболевание, вызванное мутацией в одном только в одном гене. Несмотря на то, что все остальные почти 30000 генов могут быть в порядке, изменение последовательности ДНК в этом гене вызывает нарушения функционирования всего организма.

Хромосомное заболевание – наследственное заболевание, вызванное хромосомными аномалиями.

Носительство мутации – это состояние гетерозиготы по аллелю, обладающему какими-то негативными клиническими проявлениями, если он находится в геноме в виде гомозиготы.

Пробанд – человек, с которого начинается составление генеалогического дерева (родословной). Обычно пробанд – это носитель или пациент с наследственным заболеванием, проявление которого и вызвало необходимость генеалогического анализа.

Сиблинг – в генетике таким термином обозначают потомков одних родителей, то есть братьев и сестер, но не близнецов.

Генетика: основные понятия и диагностика

Геном – совокупность наследственного материала, заключенного в клетке организма [1]. Геном содержит биологическую информацию, необходимую для построения организма и поддержания его функций.
Первоначальный смысл этого термина указывал на то, что понятие генома, в отличие от генотипа, является генетической характеристикой вида в целом, а не отдельной особи. С развитием молекулярной генетики значение данного термина изменилось, и сегодня под «геномом» понимают совокупность наследственного материала конкретного представителя вида.
Большинство геномов, в том числе геномы человека и геномы всех остальных клеточных форм жизни, построены из ДНК*. Практически у всех эукариотических организмов все гены организованы в более крупные макромолекулярные комплексы – хромосомы.
У человека наследственный материал соматической клетки представлен 23 парами хромосом (22 пары аутосом и пара половых хромосом), находящихся в ядре, а также клетка обладает множеством копий митохондриальной ДНК. 22 аутосомы, половые хромосомы Х и Y, митохондриальная ДНК человека содержат вместе примерно 3,1 млрд пар оснований [1].
В настоящее время в молекулярной биологии установлено, что гены – это участки ДНК, несущие какую-либо целостную информацию о строении одной молекулы белка или одной молекулы РНК. Эти и другие функциональные молекулы определяют развитие, рост и функционирование организма.
Изначально термин «ген» появился как теоретическая дискретная единица передачи наследственной информации. История биологии помнит споры о том, какие молекулы могут являться носителями наследственной информации. Большинство исследователей считали, что такими носителями могут быть только белки, так как их строение из 20 аминокислот позволяет создать больше вариантов, чем ДНК, состоящая всего из четырех видов
нуклеотидов. Позже было экспериментально доказано, что именно ДНК включает в себя наследственную информацию, что было выражено в виде центральной догмы молекулярной биологии.
Мономеры, составляющие каждую из цепей ДНК, представляют собой сложные органические соединения, включающие в себя азотистые основания: аденин (А), тимин (Т), цитозин (Ц), гуанин (Г), пятиатомный сахар (пентозу) – дезоксирибозу, а также остаток фосфорной кислоты. Эти соединения носят название нуклеотидов (Рис. 1).

Гены могут подвергаться мутациям – случайным или целенаправленным изменениям последовательности нуклеотидов в цепи ДНК. Мутации могут приводить к изменению последовательности, а следовательно, изменению биологических характеристик белка или РНК, что, в свою очередь, может привести к их общему или локальному изменению или аномальному функционированию. Такие мутации являются патогенными, так как их результатом является заболевание, или летальными на эмбриональном уровне. Однако далеко не все изменения последовательности нуклеотидов приводят к изменению структуры белка или к существенному изменению последовательности и не являются патогенными. В частности, геном человека характеризуется такими особенностями, как однонуклеотидные полиморфизмы и вариации числа копий генов (англ. copynumbervariations), которые составляют около 1% всей ДНК человека [2].
Однонуклеотидный полиморфизм (Single nucleotide polymorphism, SNP) – отличие последовательности ДНК размером в один нуклеотид. Если две последовательности ДНК – AAGCCTA и AAGCTTA – отличаются на один нуклеотид, в таком случае говорят о существовании двух аллелей: C и T. SNP возникают в результате точечных мутаций (как правило, типа замен) и, в частности, определяют различные аллели одного гена.
Разнообразием последовательностей ДНК у людей, возможно, объясняется то, как у них происходит течение различных заболеваний, реакции в ответ на патогены, прием лекарств, вакцин и т. п. Знание об однонуклеотидном полиморфизме, вероятно, поможет в понимании фармакокинетики и фармакодинамики действия различных лекарств на человека. Этиология широкого спектра заболеваний, таких как рак, инфекционные, аутоиммунные заболевания, серповидноклеточная анемия и многие другие, включает однонуклеотидные полиморфизмы [3].

Полиморфизмы генов

Именно полиморфизмы генов в большой степени определяют индивидуальные различия в развитии тех или иных физических и психических качеств индивидума. Масштабы полиморфизмов генов у человека таковы, что между последовательностями ДНК двух людей существуют миллионы различий. Эти различия условно подразделяют на четыре основные категории: а) фенотипически не выраженные; б) вызывающие фенотипические различия; в) играющие роль в патогенезе заболевания (при полигенных болезнях); г) играющие основную роль в развитии заболевания (при моногенных болезнях).
На сегодняшний день сформированы обширные базы полиморфизмов, очень гибкие и быстро растущие.
Они постоянно обновляются за счет информации, которую поставляют в клиники и лаборатории по всему миру научные организации, в которых работает множество специалистов в области системной и молекулярной биологии, биоинформатики.
Вариантные формы некоторых генов в определенных условиях могут привести к развитию болезней. Сочетания вариантных генов предрасположенности несут в себе генетические риски множества заболеваний. Тестирование генетических предрасположенностей помогает выявить индивидуальный риск возможности заболевания и установить подверженность влиянию и воздействию негативных факторов окружающей среды.
По клиническим группам полиморфизмов различают патологии систем свертывания крови, обмена фолиевой кислоты, обмена белков костной ткани, гормонов щитовидной железы, стероидных гормонов и еще десятки других групп полиморфизмов.
В настоящее время в лаборатории CL определяются генетические полиморфизмы генов системы свертывания крови: ген F2 (20210_G>A), ген F5 (1691_G>A), ген F7 (10976_G>A), ген F13 (103_G>Т), ген FGB (455_G>A), ген ITGA 2/интегрин α-2/(807_С>Т), ген ITGВ 3/интегрин β-3/ (1565_Т>С), ген PAI-1 (675_5G>4G). Результат исследования содержит интерпретацию и описание рисков, связанных с тем или иным сочетанием. В ближайшее время планируется значительное расширение спектра определяемых полиморфизмов в CL.

Детекция результатов ПЦР проходит в режиме реального времени. Управление прибором осуществляет программное обеспечение. Программа позволяет использовать простое и интуитивное управление с использованием функции «Тест», что значительно сокращает время создания протоколов исследований. Программное обеспечение содержит приложения для количественной оценки ДНК/кДНК, анализа кривых, определения уровня экспрессии генов, исследования биоценозов и SNP-анализа, позволяет использовать функцию «дополнительных стандартов» и формировать протоколы исследования с автоматической трактовкой полученных результатов.

Научно-технический прогресс привел к одному незаменимому открытию в области молекулярной биологии – открытию метода полимеразной цепной реакции (ПЦР), который позволяет обнаружить даже небольшой фрагмент искомого генома. Полимеразная цепная реакция поначалу применялась исключительно в научных лабораториях. Однако вскоре метод нашел свое место в медицине. В 1993 году, Kary Mullis, ученому, открывшему метод ПЦР, была присуждена Нобелевская премия в области химии.

Диагностика полиморфизмов генов в медицинской лаборатории CL

Выявлять полиморфизмы сегодня позволяют методы современной молекулярно-генетической диагностики. В лаборатории CL исследования полиморфизмов проводят с 2012 года методом полимеразной цепной реакции (ПЦР), c помощью детектирующего амплификатора DtPrime производства российской компании «ДНК-Технология». Принцип ПЦР построен на методе многократного комплементарного достраивания матрицы нуклеиновой кислоты до двухцепочечной структуры, которую способен «увидеть» прибор и распознать полиморфизм. Метод ПЦР, помимо быстроты выполнения и манипулятивной простоты, является еще и весьма чувствительным и специфичным. Очень наглядно принцип метода охарактеризован в среде лабораторных работников так: «найти иглу в стоге сена, а затем построить стог из этих игл».
Для того чтобы исключить неточности, один и тот же участок гена исследуется многократно. Вся цепь ДНК разбивается на участки, затем ведется поиск участков, где прогнозируются полиморфизмы. После чего эти участки вырезаются и сопоставляются. С помощью ПЦР количество таких участков увеличивается до 10 в 36–40 степени. Каждый участок вновь прочитывается десятки раз. Только после этого можно выстроить статистически верную кривую.

Результаты и интерпретация

Информация о наличии полиморфизмов, знание их влияния на определенные виды обмена и уровень чувствительности к лекарственным препаратам позволяют оценить риск развития заболевания, предупредить его развитие и назначить верное лечение.
Важным фактом является то, что генные полиморфизмы в течение жизни не меняются и определяются один раз! Результаты не изменяются в течение жизни и не зависят от физиологического состояния организма.
Генетическое тестирование позволяет в досимптомный период выявить существующие пока только в геноме наследственные тенденции к развитию болезней и наметить пути их ранней профилактики.
Для врачей важна интерпретация результатов анализа полиморфизмов: необходимо понять, как связан тот или иной полиморфизм с вероятностью развития патологического состояния. Следует учитывать, что ни один полиморфизм не является нозологией как таковой, только ее элементом, но зачастую решающим.
Наличие полиморфизмов можно учесть при назначении лекарственных средств. Так, врач-клиницист, руководствуясь рекомендациями генетика, может изменить концентрацию или дозу препарата, который будет влиять на компонент свертывания крови. Безусловно, важны также режим, диета, физиопроцедуры, но основная роль отведена медикаментозному лечению. А это – область фармакогенетики, которая изучает реакции организма на определенные препараты согласно особенностям генома человека.

Интеграция наук

15 лет назад было заявлено, что расшифрован геном человека. Это открытие стало возможным благодаря многолетней работе ученых различных отраслей науки, уровень которой достиг тех высот, в которых информация и знания из одной области проникают в другую. Такая «интеграция наук» выводит на качественно новый уровень дальнейшее развитие биотехнологий, медицины, генетики, геномики. Каких горизонтов достигнут ученые при детальном знании генома человека, прогнозировать трудно. Можно быть готовым лишь к тому, что природа поставит перед человеком новые, не менее сложные задачи и амбициозные цели.

Материал опубликован в специализированном издании для врачей ProTest, выпуск 2, август 2015 г. При использовании материалов ссылка на журнал обязательна.

Термины геномики и молекулярной генетики. Определения

Клон: рекомбинантная молекула ДНК, содержащая ген или другую интересующую последовательность ДНК. Использование: «изолировать клон» или «клонировать ген».

кДНК: синтетическая молекула ДНК, полученная с помощью обратной транскриптазы, специального фермента ДНК-полимеразы, использующей информационную РНК (мРНК) как шаблон; используется как для описания однонитевой копии, так и ее двухнитевого деривата. Использование: «клон кДНК», «библиотека кДНК» или «выделение к ДНК».

Хозяин: микроорганизм, используемый для изолирования и размножения рекомбинантной молекулы ДНК, обычно бактерии Escherichia coli или дрожжи Saccharomyces cerevisiae. Использование: «На каком хозяине клонировали кДНК?».

Гибридизация: действие двух комплементарных однонитевых молекул нуклеиновых кислот, формирующее связи согласно правилам спаривания оснований (аденин с тимином или урацилом, гуанин с цитозином), что приводит к образованию двойной молекулы. Использование: «зонд гибридизирован с последовательностью гена».

Вставка: фрагмент чужеродной ДНК, клонированный на конкретный вектор. Использование: «выделена вставка».

Библиотека: коллекция рекомбинантных клонов известного источника, содержащего ген, кДНК или другую интересующую ДНК-последовательность. В принципе, библиотека может содержать всю ДНК или последовательность кДНК, представленную в исходной клетке, ткани или хромосоме. Использование: «библиотека кДНК мышцы» или «геномная библиотека человека».

Лигирование: формирование фосфодиэфирных связей, соединяющих две молекулы ДНК с помощью фермента ДНК-лигазы. Использование: «фрагменты лигированы».

Микроматрица (микрочип, биочип, англ. microarray): выполненная из стекла, пластмассы, или силиката плашка в виде матрицы, на которой индивидуально определяют множество различных нуклеиновых кислот. Микрочипы используют для гибридизации с зондами, состоящими из сложных смесей кДНК или геномной ДНК, для измерения экспрессии гена или количества копий ДНК.

Нозерн-блоттинг: техника, при которой фильтр с переведенной на него после гель-электрофореза РНК используется для определения ее размера; названо как каламбур к методике Саузерна (Northern — «северный»), фамилия автора которой (Southern) переводится как «Южный» (см. ниже); также действие по получению такого фильтра и гибридизации его со специфическим зондом. Использование: «чтобы изучать Нозерн-блоттинг» или «проведен Нозерн-блоттинг».

Олигонуклеотид, или олигомер: короткий участок нуклеиновой кислоты, от нескольких пар до нескольких десятков пар оснований, часто синтезированный химически. Количество пар оснований нередко записывают как число с суффиксом «мер»: 20-мер.

ПЦР: ферментное умножение фрагмента ДНК, расположенного между парой праймеров. Использование: «Я выделил фрагмент, используя ПЦР».

Праймеры (для ПЦР): два олигонуклеотида, по одному для каждого конца целевой последовательности, разработанные так, что один из пары комплементарен сегменту ДНК в одной нити двойной молекулы ДНК, а второй — сегменту в другой нити. Специфическая пара праймеров служит для инициации синтеза ДНК в ходе реакции ПЦР. Использование: «Я разработал праймеры для ПЦР».

Зонд: клонированная молекула ДНК или РНК, помеченная радиоактивной или иной меткой, используется для идентификации комплементарной последовательности методом молекулярной гибридизации. Использование: «зонд бета-глобина».

Количественная ПЦР: техника, которая измеряет в реальном времени увеличение в объеме продукта, получаемого в ходе ПЦР. Темп увеличения может быть использован как мера объема шаблона в начале ПЦР; часто называется qPCR.

Эндонуклеазы рестрикции (рестриктазы): ферменты, распознающие специфические последовательности ДНК и расщепляющие ее в этом или около этого места (сайта рестрикции). Использование: «расщепление ферментами рестрикции», или просто «расщепление рестриктазами», или «рестриктаза EcoRI».

Саузерн-блоттинг: техника, при которой ДНК переносит на специальный фильтр, обычно после обработки ферментами рестрикции и гель-электрофореза для разделения фрагментов по размеру (назван по фамилии разработчика техники Эда Саузерна, его фамилия переводится как «Южный»); также действия по созданию такого фильтра и гибридизации его со специфическим зондом. Использование: «при изучении Саузерн-блоттинга» или «они провели Саузерн-блоттинг».

Вектор: молекула ДНК, в которую клонирован ген или другой интересующий фрагмент ДНК; результирующая рекомбинантная молекула способна копироваться в конкретном хозяине. Примеры включают плазмиды, бактериофаги X и ВАС. Использование: «клонирующий вектор».

Вестерн-блоттинг: фильтр, на который после гель-электрофореза переведены белковые молекулы для разделения их по размеру; в переводе означает «западный», назван так по аналогии с Саузерн-(«южный») и Нозерн-(«северный») блоттингами; также действия по получению такого фильтра и обработке его специфическими антителами. Использование: «для изучения Вестерн-блоттинга», или «выполнен Вестерн-блоттинг».

Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021

Новейшие молекулярно-генетические технологии

Дисциплина «Новейшие молекулярно-генетические технологии» предназначена для студентов-биологов 4го курса, специализирующихся по информационной биологии.
Основной целью освоения дисциплины является ознакомление студентов с современными методами молекулярной биологии и молекулярной генетики.
Для достижения поставленной цели выделяются задачи курса:

Дать представление об основных достижениях в области изучения генома, транскриптома и протеома эукариотической клетки и вновь возникающих задачах
Охарактеризовать основные методы изучения структуры и функции генома
Проиллюстрировать данные методы на конкретных примерах

Требования к уровню освоения содержания курса

По окончании изучения указанной дисциплины студент должен

иметь представление о современных молекулярно-генетических методах, области их применения, преимуществах и ограничениях
знать принципы изучения генома, транскриптома и протеома и основные достижения в этой области
уметь интерпретировать данные литературы с учетом всех ограничений и особенностей использованных методов

Формы контроля

Итоговый контроль — зачет.
Текущий контроль — тестирование.

II. Содержание дисциплины

Новизна курса

В курсе представлены новейшие методы молекулярной биологии и молекулярной генетики, каждый год он будет дополняться новыми методическими разработками. Курс читается впервые. Актуальность его для студентов, специализирующихся по информационной биологии, определяется необходимостью получения специалистами такого профиля знаний об экспериментальной базе современных молекулярно-генетических технологий, органической частью которых являются биоинформатические методы. Представления о экспериментальных методических подходах необходимы студентам -бионформатикам также для правильной интерпретации данных литературы при создании разнообразных баз данных и компьютерных методов моделирования молекулярно-генетических процессов и систем.

Тематический план курса

Наименование разделов и тем	Количество часов
Наименование разделов и тем	Лекции	Всего часов
Структура генома	6	6
Полиморфные сайты ДНК.	2	2
Методы изучения транскрипции генов	6	6
Методы выявления и изучения регуляторных районов генов	4	4
Протеомика	4	4
Современные методы микроскопического анализа	2	2
Итого по курсу:	24	24

Содержание отдельных разделов и тем

Структура генома. Секвенирование генов и геномов. Современные методы секвенирования: общие принципы, приборы, производительность, масштаб производимых работ. Виды с полностью прочтенными геномами. Программа «Геном человека»: Цели, задачи, достижения и перспективы. Генетический анализ сложных признаков, ассоциации с заболеваниями
Полиморфные сайты ДНК.Классификация полиморфизмов, способы детекции, функциональная значимость. Регуляторные SNPs.
Методы изучения транскрипции генов.Нозерн-блот анализ, РТ-ПЦР, Real-time-PCR, дифференциальный дисплей. Исследование профилей экспрессии генов с помощью микрочипового анализа. Описание метода, его разновидностей, возможности и ограничения. Примеры исследований профилей экспрессии генов в масштабах всего генома, изучение динамики изменений в экспрессии специализированных групп генов на разных стадиях развития, в разных дифференцированных клетках, при патологических изменениях.
Методы выявления и изучения регуляторных районов генов. Промотор: определение точки инициации транскрипции, выявление регуляторных элементов (футпринтинг, ретардации, плазмидные конструкции), привлечение тех или иных вариантов компьютерного поиска, необходимость развития таких методов. Выявление отдаленных регуляторных районов (HSS, плазмидные конструкции). Выборки природных регуляторных элементов их значение. Технология Selex ее преимущества и недостатки. Методы in vivo – геномный футпринтинг и иммунопреципитация хроматина. Методы изучения белок-белковых взаимодействий: GST pull-down assay, дрожжевой дигибридный анализ
Протеомика. Двумерный электрофорез. Масс-спектрометрический анализ.

Перечень примерных контрольных вопросов и заданий для самостоятельной работы

Каковы цели секвенирования геномов позвоночных ?
Каковы цели секвенирования геномов прокариот?
Что дает секвенирование полного генома человека для биологии и медицины?
Для чего нужны автоматические секвенаторы?
Для чего необходимо изучение полиморфизма нуклеотидных последовательностей?
Что такое регуляторные SNP и каковы методы их выявления и анализа?
Какими методами изучается экспрессия индивидуальных генов?
Каковы преимущества и недостатки изучения транскрипции генов методом RT+PCR?
Каковы преимущества изучения транскрипции генов методом Real-Time PCR?
Какие существуют методы массового изучения транскрипции генов?
Каковы принципы изучения транскриптома эукариотических клеток с помощью ДНК-биочипов?
Для чего необходимо выявление стартов транскрипции генов?
Какие существуют методы идентификации стартов транскрипции генов?
Для чего нужны методы массового выявления сайтов связывания транскрипционных факторов?
Какие экспериментальные подходы используются для поиска и идентификации сайтов связывания транскрипционных факторов?
Какие экспериментальные подходы используются для поиска регуляторных районов генов?
Что такое дрожжевой дигибридный анализ?
Для чего применяется метод геномного футпринтинга?
Что дает метод иммунопреципитации хроматина?
Какие экспериментальные подходы используются для исследования протеома эукариотических клеток?

III. Учебно-методическое обеспечение дисциплины

Образцы вопросов для подготовки к зачету.

Билет 1

1) Принцип секвенирования ДНК методом химической деградации по Максаму-Гилберту.
2) Коровый промотор. Базы данных коровых промоторов.

Билет 2

1) Принцип секвенирования ДНК ферментативным методом по Сэнгеру.
2) Дистальные регуляторные районы генов. Методы их выявления.

Билет 3

1) Принцип полимеразной цепной реакции. Использование ПЦР в секвенировании ДНК.
2) Типы ДНК-биочипов (по содержанию, по способу производства).

Билет 4

1) Автоматическое секвенирование ДНК. Основные части и принцип работы секвенатора.
2) Принцип полимеразной цепной реакции. Использование ПЦР для изучения экспрессии генов

Билет 5

1) Полностью секвенированные геномы прокариотических организмов. Значение этих работ для биологии и медицины.
2) Real-time-PCR

Билет 6

1) Полностью секвенированные геномы эукариотических организмов. Основные выводы сравнительной геномики
2) Общая схема экспериментов с использованием ДНК-биочипов, отдельные этапы, специфические термины.

Билет 7

1) Полное секвенирование генома человека. Цели, подходы, основные результаты и перспективы.
2) Технология Selex ее преимущества и недостатки

Билет 8

1) Технология микрочипов. Использование гибридизации меченых нуклеиновых кислот с фиксированными олигонуклеотидами для секвенирования ДНК, анализа мутаций и анализа экспрессии генов.
2) Базы данных регуляторных элементов.

Билет 9

1) Базы данных по полностью секвенированным геномам, нуклеотидным последовательностям, белкам, полиморфным сайтам.
2) Характеристика метода исследования транскриптома с помощью ДНК-биочипов в сравнении с другими методами.

Билет 10

1) Генетический полиморфизм и методы его выявления.
2) Двумерный электрофорез белков и пептидов.

Билет 11

1) Регуляторные SNP и методы его выявления.
2) Масс-спектрометрический анализ

Билет 12

1) Метод дифференциального дисплея
2) Примеры анализа и профилирования экспрессии генов с помощью ДНК-биочипов.

Билет 13

1) Выборки природных регуляторных элементов и значение.
2) Принципы планирования ДНК-биочип-экспериментов.

Билет 14

1) Методы определения точки инициации транскрипции, экспериментальные и in silico
2) Источники разброса результатов в ДНК-биочип-экспериментах (систематические и стохастические ошибки)

Билет 15

1) Экспериментальные методы выявление регуляторных элементов.
2) Задачи общества MGED (Microarray Gene Expression Data) и протокол MIAME (Minimum Information About a Microarray Experiment).

Билет 16

1) Принципы и этапы обработки изображений результатов гибридизации ДНК-биочипов
2) Методы изучения белок-белковых взаимодействий: GST pull-down assay, дрожжевой дигибридный анализ

Билет 17

1) Методы интерпретации результатов ДНК-биочип-экспериментов.
2) Современные методы микроскопического анализа.

Билет 18

1) Примеры исследований связи между транскрипцией генов и эпигенетическим состоянием хроматина, временем репликации, трансляционной активностью транскриптов, выполненных с помощью ДНК-биочипов.
2) Геномный футпринтинг и иммунопреципитация хроматина

Читайте также: