Как се картографират човешките гени
Красноярска област
Педагогически университет
Резюме
Тема: Как се картографират човешките гени
завършена работа:
ученик от група 40
Факултет по информатика
Шишканов Д.В.
отметнато:
Николски
Красноярск 2000
Въведение
Човешката генетика е едновременно фундаментална и приложна наука. Като фундаментална наука това е областта на генетиката, която изучава закономерностите на наследствеността и изменчивостта в най-интересните организми - човешките същества. Научните резултати, получени в случая, са ценни за нас не само в теоретично отношение. Ето защо генетиката е и приложна наука. Значението му за благосъстоянието на човечеството е много голямо, постигнатите успехи в тази област носят на учените повече радост, отколкото новата информация, получена в чисто теоретични или чисто приложни изследвания.
Преди няколко години започнаха изследвания по международната програма "Човешки геном", която обедини усилията на учени от много страни. Крайната му цел е да създаде подробна карта на човешкия геном, тоест пълния набор от неговите гени. А целта на предлаганото есе е много по-скромна: да се пробие през булото от неясни термини (в това отношение генетиката е несмилаема дисциплина дори за самите генетици), да се въведе читателят в един от най-големите научни проекти на века.
География на генома
Досега възможностите на науката позволяваха да се изготвят генетични карти само на много прости организми, като E. coli. Ако цялата последователност от неговите гени, които съставляват една затворена хромозома, се отпечата на хартия в колона с дребен шрифт, присвоявайки всекиgen кратко име от три или четири букви, получавате брошура от 300 страници в обичайния формат. И ако направите същото с човешкия геном, крайната работа ще отнеме 200 тома от 1000 страници всеки.
Днес тази обширна „библиотека“ прилича повече на бунище с книги: повечето листове са непопълнени, останалите са разбъркани и като цяло не винаги е ясно кой том след кой следва. Известно е, че човешкият геном съдържа около 80 000 гена, състоящи се от общо приблизително 3 милиарда базови двойки (това е името на мономера на двойната спирала на ДНК, точно както аминокиселината е протеинов мономер). Само 7000 гена са локализирани - по-малко от 10%. За някои региони от генома, представляващи особен интерес, са съставени доста подробни карти, за останалите - много приблизителни или никакви.
Геномните карти, подобно на географските, могат да бъдат изградени в различни мащаби, с различни нива на разделителна способност - последното зависи от точността на метода за анализ. Има два вида геномни карти - собствено генетични, получени чрез косвени методи, и физически - резултат от директно изследване на молекулата на ДНК. Максималната възможна степен на детайлност е с точност до двойка нуклеотиди (наричани по-долу bp). С други думи, най-голямата карта е пълната нуклеотидна последователност, показваща къде свършва един ген и започва следващият. Но това е границата на мечтите и засега е далеч от нея. И това, с което разполагаме днес, са основно карти в малък мащаб на всичките 23 двойки човешки хромозоми с разстояние между отделните маркери - най-малките "различими на земята обекти" - 7-10 милиона bp.
Нека започнем с карти, съставени чрез косвени методи за изследване на генома.
На първо място, отбелязваме, че човешката ДНК се състои,строго погледнато, не само от гените. Генът или екзонът е експресиран участък от ДНК молекула, с други думи, нейният сегмент, върху който, подобно на машина, се „щамповат“ молекулите на един или друг протеин. Но по-голямата част от нуклеотидните последователности в ДНК са интрони, които не кодират нищо. Не винаги е ясно защо са необходими и какво правят, но явно са необходими и го правят, иначе нямаше да съществуват.
Картата на генетичната връзка се съставя, както следва. Първо трябва да изберете маркери - някои признаци на организма, за които със сигурност се знае, че са наследствени, а не "придобити". Вярно е, че една черта е подходяща за ролята на маркер само ако в нея има различия между индивидите и ако тези различия са лесни за откриване. Да речем, цвят на очите, или кръвна група, или предразположение към някакво заболяване.
След като маркерите са избрани, започва анализът на тяхното наследство. Гените имат едно любопитно свойство – те могат да се рекомбинират, т.е. бъдат преразпределени. Или по време на развитието на сперматозоидите и яйцеклетките, ДНК веригата се разкъсва на случаен принцип и се събира отново на различни места, или просто две хромозоми, които съставляват двойка (хомоложни), обменят съответните участъци. И в двата случая се получава нова комбинация от признаци – отделят се тези, които обикновено се унаследяват заедно.
И така, моделът е известен: колкото по-близо два гена са разположени на хромозомата един до друг, толкова по-трудно е за тях да се „сбогуват“ по време на рекомбинация - единият „дърпа“ другия със себе си. Това е основата за изграждането на карти на съединителя. Колкото по-рядко се случва рекомбинация между тези две маркерни черти, толкова по-малко е разстоянието между гените, които ги кодират.
Вярно е, че по този начин е възможно само да се установи относителното положение на "действащите" геноми (екзони) - или по-скоро да се изчисли разстоянието между тях на хромозоматачестота на рекомбинация. Установено е, че ако последният е равен на 1%, разстоянието между гените е приблизително 1 милион bp, или 1 Mb (една мегабаза е последната дума и означава "милион бази", т.е. нуклеотиди). Една мегабаза "на земята" съответства на 1 cM на картата (един сантиморганид - името на тази единица е дадено в чест на великия генетик Т. Х. Морган).
Но интроните могат да бъдат картографирани по подобен начин. За тях обикновено като маркери служат така наречените места за разпознаване. Факт е, че има специални ензими, предназначени да разрязват ДНК - рестрикционни ензими. Това са протеинови молекули със специална структура. Грубо казано, те просто "раздробяват" ДНК, нарязват на сегменти, но не произволно, а на определени места. Всеки рестрикционен ензим може да разпознае само една стандартна последователност от няколко нуклеотида. Последният става място за разпознаване на ензима. И как "раздробява" ДНК зависи от това колко гъсто е "осеяно" с места за разпознаване. Молекулите на рестрикционните ензими се свързват химически с тях и прекъсват веригата на ДНК на тези места.
Има сравнително прости методи за измерване на дължините на участъците, на които една ДНК молекула е била нарязана от рестрикционен ензим. Всяка промяна в мястото на разпознаване води до факта, че то става "невидимо" за ензима. Това означава, че ДНК се нарязва на други места и се образуват фрагменти с други дължини.
Хубавото на метода за картографиране на генетичните връзки е, че може да се използва, без да имате ни най-малка представа за структурата на гените на определени черти. Достатъчно е да сме сигурни, че такива гени съществуват, а по-нататъшните дейности са насочени към установяване КЪДЕ са, а не КАКВИ са.
Недостатъците на метода са доста ниска разделителна способност (7-10 Mb) и висока трудоемкост. Освен това генът на картата изглежда не е удълженсегмент от ДНК (това, което е "на земята"), но точка на линия, изобразяваща неговата двойна верига.
И накрая, за наше голямо съжаление, човекът не е дрозофила. Много е лесно да се преброи честотата на рекомбинация на маркерите чрез кръстосване на малки мухи в хиляди и десетки хиляди. Но при Хомо сапиенс този метод по очевидни причини не е подходящ и честотата на рекомбинацията трябва да се преценява по статистически данни - да речем, по честотата на такова или такова наследствено заболяване в толкова много семейства за толкова много десетилетия (или дори векове). Между другото, генетичното картографиране помогна да се намери точното местоположение в хромозомите на гените на много тежки наследствени заболявания - кистозна фиброза, сърповидно-клетъчна анемия, хорея на Хънтингтън, болест на Тей-Сакс, поликистоза на бъбреците, миотонична дистрофия и други.
Дребномащабни физически карти
Те включват хромозомни и cDNA карти ("k" означава "кодиране").
Хромозомното картографиране е доста грубо, но има смисъл, когато желаният ген се държи, както се казва, в ръцете: неговата структура е известна, той е химически изолиран, но не е известно къде „седи“. След това хромозомите, извлечени от ядрото на клетката по време на нейното делене (когато са дебели и добре различими), се третират със специални багрила, които им придават "ивици": получават се така наречените ленти - различно оцветени участъци от хромозомите. Желаният ген се размножава в епруветка и в същото време неговите копия се маркират, замествайки например водорода с тритий. Много е удобно да следвате такава радиоактивна сонда: ако я смесите с препарат от хромозоми и я задържите известно време, тя ще се свърже химически с определена лента от определена хромозома, застанала "на мястото си" (това се нарича "in situ хибридизация", т.е. "на място"). Така че гените на албумин, колаген, растежен хормон и някои други бяха картографирани.
Среден размер на лентата- около 10 Mb: такава е точността на хромозомната карта. Вярно е, че последното подобрение - хибридизация с флуоресцентен етикет (FISH - флуоресцентна in situ хибридизация) - увеличи разделителната способност до 5-2 Mb. Освен това дори е разработен метод за хибридизация на белязани гени с хромозоми, извлечени от ядрото на неделяща се клетка - и следователно, декондензирани, "развинтени" и не опаковани в компактни образувания. В резултат на това беше възможно да се локализират секции до 0,1 Mb.