Прогрессивная генетика - Forward genetics

Прогрессивная генетика это молекулярная генетика подход к определению генетической основы, ответственной за фенотип. Методы прямой генетики начинаются с идентификации фенотипа и находят или создают модельные организмы, которые демонстрируют изучаемые характеристики.

Первоначально это было сделано с использованием встречающихся в природе мутаций или индукции мутантов с помощью радиации, химикатов или инсерционный мутагенез (например. сменные элементы ). Последующее разведение происходит, мутантные особи выделяются, а затем ген нанесенный на карту. Прогрессивную генетику можно рассматривать как противодействие обратная генетика, который 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 соответствии с их мутантным фенотипом (например, Дрозофила розовый ген, названный в честь цвета глаз у мутантов).[2]

Общая техника

Методы прямой генетики начинаются с идентификации фенотипа и находят или создают модельные организмы, которые демонстрируют изучаемые характеристики.[3] Распространенным модельным организмом является рыба данио, которую можно использовать для нацеливания на мутации, имитирующие болезни и состояния, обнаруживаемые 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 случайное точечные мутации.[2] Эти типы мутагенов могут быть полезны, потому что они легко применяются к любому организму, но традиционно их было очень трудно карта, хотя появление секвенирования следующего поколения значительно упростило этот процесс. Мутации также могут быть созданы инсерционный мутагенез. Например, сменные элементы содержащий маркер мобилизуются в геном случайным образом. Эти транспозоны часто модифицируют, чтобы транспонировать только один раз, и после вставки 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 радиации, чтобы вызвать делеции и хромосомные перестройки также могут быть использованы для создания мутантов.[2]

После мутагенизации и экранированный обычно проверка дополнения делается для того, чтобы мутант 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 можно создать генетическую карту, используя связь и генетические маркеры, а затем можно клонировать и секвенировать интересующий ген. 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 а миссенс-мутация может быть значительным; однонуклеотидный полиморфизм (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 достижения в технологии ДНК не привели к позиционное клонирование и обратная генетика. 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 ассоциативные исследования и хромосомная ходьба.[2][10] Несмотря на то, что прямая генетика трудоемка и дорогостоящая, она дает возможность 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] Кистозный фиброз однако демонстрирует, как прогрессивная генетика 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 хромосомная ходьба и прыжки методы были использованы для идентификации гена и его секвенирования.[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 потому, что сложные заболевания, как правило, имеют несколько генов, мутаций или других факторов, которые вызывают или могут влиять на него.[8] Вперед и обратная генетика работают с противоположными подходами, но оба полезны для генетических исследований.[5] Их можно объединить, чтобы увидеть, будут ли получены аналогичные результаты.[5]

Классическая форвардная генетика

Посредством классическая генетика подход, исследователь затем будет локализовать (нанести на карту) ген на его хромосоме с помощью скрещивание с людьми, несущими другие необычные черты, и сбор статистики о том, как часто эти две черты 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 скрининги было трудно провести для определенных фенотипов, у которых отсутствуют фенотипы, которые можно измерить напрямую. 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 гг. Томас Хант Морган мутировал Дрозофила используя радий и пытаясь найти наследственные мутации.[14] Позднее Альфред Стертевант начал картировать гены Дрозофила с мутациями, за которыми они следили.[15] В 1990-х годах для лучшего понимания Дрозофила гены, важные для развития от эмбриона до взрослой мухи.[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 последовательность была опубликована в 2003.[17] Возможность идентифицировать гены, которые способствуют менделевским расстройствам, улучшилась с 1990 года в результате достижений в области генетики и технологий.[8]

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ «Что такое область обратной генетики». Innovateus. Получено 13 ноября 2014.
  2. ^ а б c d е ж Парш Дж. «Прямая и обратная генетика» (PDF). Людвиг-максимилианцы-университат Мюнхена. Архивировано из оригинал (PDF) 13 декабря 2014 г.. Получено 31 октября 2014.
  3. ^ Moresco EM, Li X, Beutler B (май 2013 г.). «Двигаясь вперед с генетикой: последние технологические достижения и передовая генетика мышей». Американский журнал патологии. 182 (5): 1462–73. Дои:10.1016 / j.ajpath.2013.02.002. ЧВК  3644711. PMID  23608223.
  4. ^ Мудрый Калифорния, Риос Дж. Дж. (2015). Молекулярная генетика детских ортопедических заболеваний. Springer Нью-Йорк. ISBN  978-1-4939-2169-0. OCLC  974389354.
  5. ^ а б c d е ж Браун ТА (2018). Геномы 4 (Четвертое изд.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк. ISBN  978-0-8153-4508-4. OCLC  965806746.
  6. ^ а б c Хантер С. "Перспективные темы генетики". UCSanDiego. Архивировано из оригинал 15 декабря 2014 г.. Получено 7 ноября 2014.
  7. ^ 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.
  8. ^ а б c Стернс С (2008). Эволюция здоровья и болезней. Нью-Йорк: Oxford University Press Inc. ISBN  978-0-19-920746-6.
  9. ^ Beutler B (декабрь 2016 г.). «Врожденный иммунитет и новая передовая генетика». Лучшие практики и исследования. Клиническая гематология. 29 (4): 379–387. Дои:10.1016 / j.beha.2016.10.018. ЧВК  5179328. PMID  27890263.
  10. ^ а б Страчан Т, прочтите А (1999). Молекулярная генетика человека 2 (2-е изд.). Нью-Йорк: Наука Гарланд. п.Глава 15. ISBN  978-1-85996-202-2. Получено 31 октября 2014.
  11. ^ 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. Дои:10.1007 / s00439-016-1704-4. ЧВК  5002245. PMID  27384229.
  12. ^ 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:1989Научный ... 245.1059R. Дои:10.1126 / science.2772657. PMID  2772657.
  13. ^ Гибсон Дж., Муза С.В. (2009). Учебник по геномной науке (Третье изд.). Sinauer Press.
  14. ^ Гамильтон V (19 июля 2016 г.). "Тайны жизни". Институт истории науки. Получено 2018-09-25.
  15. ^ "Обзор проекта" Геном человека ". Национальный институт исследования генома человека (NHGRI). Получено 2018-09-25.
  16. ^ а б Гилберт С (2014). Биология развития. Сазерленд, Массачусетс: Sinauer Associates Inc. ISBN  978-0-87893-978-7.
  17. ^ "Обзор проекта" Геном человека ". Национальный институт исследования генома человека (NHGRI). Получено 2018-09-25.