Wiele chorób u ludzi ma komponent genetyczny, co oznacza, że są one spowodowane zmianami lub mutacjami w DNA danej osoby. Dziedziczne choroby genetyczne to te, które mogą być przekazywane z pokolenia na pokolenie, ale nie wszystkie choroby genetyczne są dziedziczne, w tym wiele rodzajów raka. Odkrywając i charakteryzując geny związane z chorobą, naukowcy i klinicyści mają nadzieję na poprawę diagnostyki i terapii dla pacjentów.
W tym filmie przedstawimy krótką historię chorób genetycznych, przedstawimy kluczowe pytania zadawane przez genetyków, opiszemy narzędzia do odpowiedzi na te pytania oraz omówimy kilka aktualnych zastosowań.
Zacznijmy od przeglądu kilku przełomowych badań w historii badań nad chorobami genetycznymi.
W 1803 roku John Conrad Otto opublikował artykuł opisujący zaburzenie krzepnięcia krwi, które dotykało głównie mężczyzn. Podczas gdy Otto zdawał sobie sprawę, że choroba ta występuje w niektórych rodzinach, to John Hay zdefiniował jej wzorzec dziedziczenia w 1813 roku, pokazując, że dotknięci nią mężczyźni mogą przekazać chorobę swoim wnukom poprzez zdrowe córki. Obecnie choroba ta jest znana jako hemofilia i wiemy, że jest spowodowana recesywnymi mutacjami w genie dla określonych czynników krzepnięcia krwi zlokalizowanych na chromosomie X. Ponieważ kobiety zwykle mają dwa chromosomy X, ale mężczyźni mają tylko jeden, samice, które odziedziczyły jedną zmutowaną kopię genu, są zdrowe, ale mężczyźni z mutacją będą manifestować chorobę.
W 1896 roku Archibald Garrod odkrył rzadką chorobę dziedziczną zwaną alkaptonurią, w której mocz pacjentów stawał się czarny pod wpływem powietrza. Postulował, że osobom tym brakuje enzymu biorącego udział w chemicznym rozkładzie białka i zasugerował, że podobne "wrodzone błędy metabolizmu" mogą być przyczyną wielu chorób dziedzicznych.
Opierając się na pracy Garroda, w 1941 roku George Beadle i Edward Tatum przeprowadzili eksperymenty z pleśnią chlebową, aby sprawdzić, jak działają enzymy w szlakach metabolicznych. Ich propozycja, że jeden gen określa produkcję jednego enzymu, aby kontrolować jeden etap szlaku metabolicznego, stała się znana jako "hipoteza jednego genu, jednego enzymu".
W 1966 roku Victor McKusick, "ojciec genetyki medycznej", który był pionierem badań nad rzadkimi chorobami genetycznymi w izolowanych populacjach, zebrał i opublikował Dziedzictwo mendlowskie w człowieku, ostateczny katalog chorób dziedzicznych, który jest aktualizowany do dziś.
Podczas gdy wielu naukowców badało choroby dziedziczne, inni szukali genetycznych podstaw chorób, które pojawiały się sporadycznie, takich jak rak. W 1976 roku John Michael Bishop i Harold Varmus wykazali, że "onkogeny" to geny, które zostały zmutowane w taki sposób, że kodowane przez nie białka uzyskują nowe lub ulepszone funkcje. Te mutacje "wzmocnienia funkcji" często powodują niekontrolowaną proliferację komórek, co jest krytyczną cechą charakterystyczną raka.
W tej samej dekadzie Alfred Knudson odkrył, że inne geny, zwane supresorami nowotworów, przyczyniają się do raka tylko wtedy, gdy mutacje w obu kopiach genu prowadzą do "utraty funkcji" kodowanego białka. Pomysł Knudsona stał się znany jako "hipoteza dwóch trafień".
W 1983 roku poczyniono znaczące postępy w kierunku lokalizacji genów powodujących choroby, gdy James Gusella użył regularnie rozmieszczonych, wysoce zmiennych segmentów DNA zwanych polimorfizmami długości fragmentów restrykcyjnych, aby zmapować gen choroby Huntingtona do chromosomu czwartego.
Aby jeszcze bardziej ułatwić ten proces mapowania genów, w 1990 r. międzynarodowe konsorcjum naukowców uruchomiło Projekt Poznania Ludzkiego Genomu, którego celem było sekwencjonowanie całego zestawu DNA u ludzi. Projekt ten został w znacznym stopniu ukończony w 2004 roku.
Rok później rozpoczęto publikację danych z międzynarodowego projektu HapMap, którego celem jest stworzenie mapy całego genomu wariantów sekwencji w różnych populacjach ludzkich. Dane te pozwalają teraz naukowcom testować powiązania między wariantami genetycznymi a powszechnymi chorobami. Wraz z rozwojem wysokoprzepustowych technologii sekwencjonowania, któremu towarzyszą coraz niższe koszty, zastosowanie sekwencjonowania do identyfikacji mutacji powodujących chorobę u pacjentów staje się coraz bardziej rzeczywistością.
Po zapoznaniu się z kilkoma wydarzeniami historycznymi, przyjrzyjmy się kilku podstawowym pytaniom w genetyce medycznej.
Po pierwsze, wielu genetyków chce wiedzieć, czy poszczególne choroby są kontrolowane przez czynniki genetyczne. Na początek mogą szukać dowodów na to, że choroba może być dziedziczona przy użyciu klasycznych podejść, takich jak badanie rodzin lub rodzeństwa. Badania te są również skuteczne w określaniu, czy choroba jest monogenowa czy mendlowska, co oznacza, że jest spowodowana mutacjami w pojedynczym genie; lub jest wieloczynnikowy lub złożony, co oznacza, że jest spowodowany wieloma czynnikami genetycznymi i środowiskowymi.
Genetyka złożonych chorób, takich jak choroba Parkinsona czy choroby serca, jest szczególnie trudna do oddzielenia, a wielu badaczy próbuje wykorzystać badania na dużą skalę w różnych populacjach, aby zidentyfikować warianty genetyczne związane z tymi chorobami. Dwa konkurujące ze sobą modele kształtują sposób, w jaki naukowcy radzą sobie z tym pytaniem. Hipoteza "powszechnej choroby/powszechnego wariantu" sugeruje udział wielu wariantów genetycznych, które są powszechne w populacji, z których każdy ma tylko niewielki wpływ, podczas gdy hipoteza "wielu rzadkich wariantów" argumentuje za znaczeniem stosunkowo rzadkich wariantów o dużych skutkach.
Wreszcie, genetycy badają również, w jaki sposób różne techniki genetyczne mogą być stosowane w diagnostyce klinicznej. Mogą badać sposoby zminimalizowania ilości DNA pacjenta wymaganej do badania lub optymalizacji oczyszczania DNA z łatwo dostępnych próbek, takich jak ślina lub krew, w celu oceny czynników ryzyka choroby.
Teraz, gdy znasz już niektóre z kluczowych pytań zadawanych przez genetyków, przyjrzyjmy się technikom, których używają, aby znaleźć odpowiedzi.
Genotypowanie polimorfizmów pojedynczych nukleotydów (SNP) jest jednym z najczęściej stosowanych podejść do identyfikacji zmian sekwencji DNA w populacji. Różnice między pojedynczymi nukleotydami można wykryć poprzez hybrydyzację fragmentów DNA z komplementarnymi oligonukleotydami lub przy użyciu wysoce specyficznych dla sekwencji enzymów restrykcyjnych do generowania fragmentów o różnych rozmiarach.
Genotypowanie oparte na sekwencjonowaniu jest kolejnym powszechnym podejściem do znajdowania mutacji przyczynowych. Klasyczna metoda Sangera opiera się na włączeniu znakowanych, zakończonych łańcuchem nukleotydów przez polimerazę DNA podczas replikacji in vitro i jest rutynowo stosowana, gdy znany jest gen kandydujący.
W przypadku analiz na większą skalę, wysokoprzepustowe sekwencjonowanie nowej generacji może być wykorzystane do wygenerowania ogromnej liczby krótkich sekwencji, które można następnie porównać z nienaruszonym genomem kontrolnym w celu identyfikacji mutacji związanych z chorobą.
W przypadku złożonych chorób badania asocjacyjne całego genomu (GWAS) są wykorzystywane do identyfikacji SNP o różnej częstości występowania w populacjach dotkniętych chorobą i kontrolnych osób niepowiązanych. Wyższa częstość występowania SNP w populacjach dotkniętych chorobą sugeruje związek między wariantem a chorobą.
Wreszcie, różne techniki cytogenetyczne mogą wykrywać zmiany strukturalne w genomie, które mogą prowadzić do chorób. Całe chromosomy mogą być barwione w celu utworzenia kariotypu w celu identyfikacji zmian w strukturze lub liczbie. Alternatywnie, fluorescencyjna hybrydyzacja in situ wykorzystuje znakowane sondy oligonukleotydowe do wizualizacji określonych sekwencji DNA.
Teraz, gdy znasz już niektóre metody stosowane w odkrywaniu genów, przyjrzyjmy się ich zastosowaniom w badaniach nad chorobami.
Jednym z podejść do identyfikacji mutacji powodujących chorobę jest połączenie badania rodowodów rodzinnych z sekwencjonowaniem. W tym badaniu warianty genetyczne wykryto u pacjentów ze schizofrenią poprzez sekwencjonowanie genów kandydujących. Mutacje te zostały sklasyfikowane jako spontaniczne lub de novo, ponieważ nie były dziedziczone.
Inne zastosowanie polega na łączeniu rzadkich wariantów genetycznych ze złożonymi chorobami za pomocą badań asocjacyjnych. Naukowcy połączyli genomy około 1000 osób i wykorzystali sekwencjonowanie nowej generacji do wykrycia mutacji w 32 genach związanych z rakiem. Technika sekwencjonowania zbiorczego pozwoliła zidentyfikować zarówno znane, jak i nowe rzadkie warianty, w tym te, które znaleziono za pomocą porównywalnych technik, takich jak GWAS.
Wreszcie, technologia sekwencjonowania jest obecnie wykorzystywana do informowania o wielu diagnozach klinicznych. W tym eksperymencie badacze wyekstrahowali i pofragmentowali DNA z guzów. Wszystkie egzony kodujące białka zostały następnie wyizolowane poprzez związanie ich z chemicznie znakowanymi komplementarnymi oligonukleotydami i użycie białek o wysokim powinowactwie do znaczników do wychwytywania i zbierania tych kompleksów DNA. Przechwycone DNA zostało następnie zsekwencjonowane i porównane ze zdrowymi próbkami kontrolnymi w celu zidentyfikowania mutacji powodujących raka.
Właśnie obejrzeliście wprowadzenie JoVE do genów i chorób. W tym filmie dokonaliśmy przeglądu historii genetyki medycznej, kluczowych pytań zadawanych przez genetyków, wybitnych strategii badawczych i niektórych z ich obecnych zastosowań. Dzięki za oglądanie!
Wiele chorób u ludzi jest związanych z mutacjami lub zmianami w sekwencjach genetycznych. Niektóre z tych wariantów genetycznych są dziedziczne, przek…
Wiele chorób u ludzi ma komponent genetyczny, co oznacza, że są one spowodowane zmianami lub mutacjami w DNA danej osoby. Dziedziczne choroby genetyczne to te, które mogą być przekazywane z pokolenia na pokolenie, ale nie wszystkie choroby genetyczne są dziedziczne, w tym wiele rodzajów raka. Odkrywając i charakteryzując geny związane z chorobą, naukowcy i klinicyści mają nadzieję na poprawę diagnostyki i terapii dla pacjentów.
W tym filmie przedstawimy krótką historię chorób genetycznych, przedstawimy kluczowe pytania zadawane przez genetyków, opiszemy narzędzia do odpowiedzi na te pytania oraz omówimy kilka aktualnych zastosowań.
Zacznijmy od przeglądu kilku przełomowych badań w historii badań nad chorobami genetycznymi.
W 1803 roku John Conrad Otto opublikował artykuł opisujący zaburzenie krzepnięcia krwi, które dotykało głównie mężczyzn. Podczas gdy Otto zdawał sobie sprawę, że choroba ta występuje w niektórych rodzinach, to John Hay zdefiniował jej wzorzec dziedziczenia w 1813 roku, pokazując, że dotknięci nią mężczyźni mogą przekazać chorobę swoim wnukom poprzez zdrowe córki. Obecnie choroba ta jest znana jako hemofilia i wiemy, że jest spowodowana recesywnymi mutacjami w genie dla określonych czynników krzepnięcia krwi zlokalizowanych na chromosomie X. Ponieważ kobiety zwykle mają dwa chromosomy X, ale mężczyźni mają tylko jeden, samice, które odziedziczyły jedną zmutowaną kopię genu, są zdrowe, ale mężczyźni z mutacją będą manifestować chorobę.
W 1896 roku Archibald Garrod odkrył rzadką chorobę dziedziczną zwaną alkaptonurią, w której mocz pacjentów stawał się czarny pod wpływem powietrza. Postulował, że osobom tym brakuje enzymu biorącego udział w chemicznym rozkładzie białka i zasugerował, że podobne "wrodzone błędy metabolizmu" mogą być przyczyną wielu chorób dziedzicznych.
Opierając się na pracy Garroda, w 1941 roku George Beadle i Edward Tatum przeprowadzili eksperymenty z pleśnią chlebową, aby sprawdzić, jak działają enzymy w szlakach metabolicznych. Ich propozycja, że jeden gen określa produkcję jednego enzymu, aby kontrolować jeden etap szlaku metabolicznego, stała się znana jako "hipoteza jednego genu, jednego enzymu".
W 1966 roku Victor McKusick, "ojciec genetyki medycznej", który był pionierem badań nad rzadkimi chorobami genetycznymi w izolowanych populacjach, zebrał i opublikował Dziedzictwo mendlowskie w człowieku, ostateczny katalog chorób dziedzicznych, który jest aktualizowany do dziś.
Podczas gdy wielu naukowców badało choroby dziedziczne, inni szukali genetycznych podstaw chorób, które pojawiały się sporadycznie, takich jak rak. W 1976 roku John Michael Bishop i Harold Varmus wykazali, że "onkogeny" to geny, które zostały zmutowane w taki sposób, że kodowane przez nie białka uzyskują nowe lub ulepszone funkcje. Te mutacje "wzmocnienia funkcji" często powodują niekontrolowaną proliferację komórek, co jest krytyczną cechą charakterystyczną raka.
W tej samej dekadzie Alfred Knudson odkrył, że inne geny, zwane supresorami nowotworów, przyczyniają się do raka tylko wtedy, gdy mutacje w obu kopiach genu prowadzą do "utraty funkcji" kodowanego białka. Pomysł Knudsona stał się znany jako "hipoteza dwóch trafień".
W 1983 roku poczyniono znaczące postępy w kierunku lokalizacji genów powodujących choroby, gdy James Gusella użył regularnie rozmieszczonych, wysoce zmiennych segmentów DNA zwanych polimorfizmami długości fragmentów restrykcyjnych, aby zmapować gen choroby Huntingtona do chromosomu czwartego.
Aby jeszcze bardziej ułatwić ten proces mapowania genów, w 1990 r. międzynarodowe konsorcjum naukowców uruchomiło Projekt Poznania Ludzkiego Genomu, którego celem było sekwencjonowanie całego zestawu DNA u ludzi. Projekt ten został w znacznym stopniu ukończony w 2004 roku.
Rok później rozpoczęto publikację danych z międzynarodowego projektu HapMap, którego celem jest stworzenie mapy całego genomu wariantów sekwencji w różnych populacjach ludzkich. Dane te pozwalają teraz naukowcom testować powiązania między wariantami genetycznymi a powszechnymi chorobami. Wraz z rozwojem wysokoprzepustowych technologii sekwencjonowania, któremu towarzyszą coraz niższe koszty, zastosowanie sekwencjonowania do identyfikacji mutacji powodujących chorobę u pacjentów staje się coraz bardziej rzeczywistością.
Po zapoznaniu się z kilkoma wydarzeniami historycznymi, przyjrzyjmy się kilku podstawowym pytaniom w genetyce medycznej.
Po pierwsze, wielu genetyków chce wiedzieć, czy poszczególne choroby są kontrolowane przez czynniki genetyczne. Na początek mogą szukać dowodów na to, że choroba może być dziedziczona przy użyciu klasycznych podejść, takich jak badanie rodzin lub rodzeństwa. Badania te są również skuteczne w określaniu, czy choroba jest monogenowa czy mendlowska, co oznacza, że jest spowodowana mutacjami w pojedynczym genie; lub jest wieloczynnikowy lub złożony, co oznacza, że jest spowodowany wieloma czynnikami genetycznymi i środowiskowymi.
Genetyka złożonych chorób, takich jak choroba Parkinsona czy choroby serca, jest szczególnie trudna do oddzielenia, a wielu badaczy próbuje wykorzystać badania na dużą skalę w różnych populacjach, aby zidentyfikować warianty genetyczne związane z tymi chorobami. Dwa konkurujące ze sobą modele kształtują sposób, w jaki naukowcy radzą sobie z tym pytaniem. Hipoteza "powszechnej choroby/powszechnego wariantu" sugeruje udział wielu wariantów genetycznych, które są powszechne w populacji, z których każdy ma tylko niewielki wpływ, podczas gdy hipoteza "wielu rzadkich wariantów" argumentuje za znaczeniem stosunkowo rzadkich wariantów o dużych skutkach.
Wreszcie, genetycy badają również, w jaki sposób różne techniki genetyczne mogą być stosowane w diagnostyce klinicznej. Mogą badać sposoby zminimalizowania ilości DNA pacjenta wymaganej do badania lub optymalizacji oczyszczania DNA z łatwo dostępnych próbek, takich jak ślina lub krew, w celu oceny czynników ryzyka choroby.
Teraz, gdy znasz już niektóre z kluczowych pytań zadawanych przez genetyków, przyjrzyjmy się technikom, których używają, aby znaleźć odpowiedzi.
Genotypowanie polimorfizmów pojedynczych nukleotydów (SNP) jest jednym z najczęściej stosowanych podejść do identyfikacji zmian sekwencji DNA w populacji. Różnice między pojedynczymi nukleotydami można wykryć poprzez hybrydyzację fragmentów DNA z komplementarnymi oligonukleotydami lub przy użyciu wysoce specyficznych dla sekwencji enzymów restrykcyjnych do generowania fragmentów o różnych rozmiarach.
Genotypowanie oparte na sekwencjonowaniu jest kolejnym powszechnym podejściem do znajdowania mutacji przyczynowych. Klasyczna metoda Sangera opiera się na włączeniu znakowanych, zakończonych łańcuchem nukleotydów przez polimerazę DNA podczas replikacji in vitro i jest rutynowo stosowana, gdy znany jest gen kandydujący.
W przypadku analiz na większą skalę, wysokoprzepustowe sekwencjonowanie nowej generacji może być wykorzystane do wygenerowania ogromnej liczby krótkich sekwencji, które można następnie porównać z nienaruszonym genomem kontrolnym w celu identyfikacji mutacji związanych z chorobą.
W przypadku złożonych chorób badania asocjacyjne całego genomu (GWAS) są wykorzystywane do identyfikacji SNP o różnej częstości występowania w populacjach dotkniętych chorobą i kontrolnych osób niepowiązanych. Wyższa częstość występowania SNP w populacjach dotkniętych chorobą sugeruje związek między wariantem a chorobą.
Wreszcie, różne techniki cytogenetyczne mogą wykrywać zmiany strukturalne w genomie, które mogą prowadzić do chorób. Całe chromosomy mogą być barwione w celu utworzenia kariotypu w celu identyfikacji zmian w strukturze lub liczbie. Alternatywnie, fluorescencyjna hybrydyzacja in situ wykorzystuje znakowane sondy oligonukleotydowe do wizualizacji określonych sekwencji DNA.
Teraz, gdy znasz już niektóre metody stosowane w odkrywaniu genów, przyjrzyjmy się ich zastosowaniom w badaniach nad chorobami.
Jednym z podejść do identyfikacji mutacji powodujących chorobę jest połączenie badania rodowodów rodzinnych z sekwencjonowaniem. W tym badaniu warianty genetyczne wykryto u pacjentów ze schizofrenią poprzez sekwencjonowanie genów kandydujących. Mutacje te zostały sklasyfikowane jako spontaniczne lub de novo, ponieważ nie były dziedziczone.
Inne zastosowanie polega na łączeniu rzadkich wariantów genetycznych ze złożonymi chorobami za pomocą badań asocjacyjnych. Naukowcy połączyli genomy około 1000 osób i wykorzystali sekwencjonowanie nowej generacji do wykrycia mutacji w 32 genach związanych z rakiem. Technika sekwencjonowania zbiorczego pozwoliła zidentyfikować zarówno znane, jak i nowe rzadkie warianty, w tym te, które znaleziono za pomocą porównywalnych technik, takich jak GWAS.
Wreszcie, technologia sekwencjonowania jest obecnie wykorzystywana do informowania o wielu diagnozach klinicznych. W tym eksperymencie badacze wyekstrahowali i pofragmentowali DNA z guzów. Wszystkie egzony kodujące białka zostały następnie wyizolowane poprzez związanie ich z chemicznie znakowanymi komplementarnymi oligonukleotydami i użycie białek o wysokim powinowactwie do znaczników do wychwytywania i zbierania tych kompleksów DNA. Przechwycone DNA zostało następnie zsekwencjonowane i porównane ze zdrowymi próbkami kontrolnymi w celu zidentyfikowania mutacji powodujących raka.
Właśnie obejrzeliście wprowadzenie JoVE do genów i chorób. W tym filmie dokonaliśmy przeglądu historii genetyki medycznej, kluczowych pytań zadawanych przez genetyków, wybitnych strategii badawczych i niektórych z ich obecnych zastosowań. Dzięki za oglądanie!
Wiele chorób u ludzi ma komponent genetyczny, co oznacza, że są one spowodowane zmianami lub mutacjami w DNA danej osoby. Dziedziczne choroby genetyczne to te, które mogą być przekazywane z pokolenia na pokolenie, ale nie wszystkie choroby genetyczne są dziedziczne, w tym wiele rodzajów raka. Odkrywając i charakteryzując geny związane z chorobą, naukowcy i klinicyści mają nadzieję na poprawę diagnostyki i terapii dla pacjentów.
W tym filmie przedstawimy krótką historię chorób genetycznych, przedstawimy kluczowe pytania zadawane przez genetyków, opiszemy narzędzia do odpowiedzi na te pytania oraz omówimy kilka aktualnych zastosowań.
Zacznijmy od przeglądu kilku przełomowych badań w historii badań nad chorobami genetycznymi.
W 1803 roku John Conrad Otto opublikował artykuł opisujący zaburzenie krzepnięcia krwi, które dotykało głównie mężczyzn. Podczas gdy Otto zdawał sobie sprawę, że choroba ta występuje w niektórych rodzinach, to John Hay zdefiniował jej wzorzec dziedziczenia w 1813 roku, pokazując, że dotknięci nią mężczyźni mogą przekazać chorobę swoim wnukom poprzez zdrowe córki. Obecnie choroba ta jest znana jako hemofilia i wiemy, że jest spowodowana recesywnymi mutacjami w genie dla określonych czynników krzepnięcia krwi zlokalizowanych na chromosomie X. Ponieważ kobiety zwykle mają dwa chromosomy X, ale mężczyźni mają tylko jeden, samice, które odziedziczyły jedną zmutowaną kopię genu, są zdrowe, ale mężczyźni z mutacją będą manifestować chorobę.
W 1896 roku Archibald Garrod odkrył rzadką chorobę dziedziczną zwaną alkaptonurią, w której mocz pacjentów stawał się czarny pod wpływem powietrza. Postulował, że osobom tym brakuje enzymu biorącego udział w chemicznym rozkładzie białka i zasugerował, że podobne "wrodzone błędy metabolizmu" mogą być przyczyną wielu chorób dziedzicznych.
Opierając się na pracy Garroda, w 1941 roku George Beadle i Edward Tatum przeprowadzili eksperymenty z pleśnią chlebową, aby sprawdzić, jak działają enzymy w szlakach metabolicznych. Ich propozycja, że jeden gen określa produkcję jednego enzymu, aby kontrolować jeden etap szlaku metabolicznego, stała się znana jako "hipoteza jednego genu, jednego enzymu".
W 1966 roku Victor McKusick, "ojciec genetyki medycznej", który był pionierem badań nad rzadkimi chorobami genetycznymi w izolowanych populacjach, zebrał i opublikował Dziedzictwo mendlowskie w człowieku, ostateczny katalog chorób dziedzicznych, który jest aktualizowany do dziś.
Podczas gdy wielu naukowców badało choroby dziedziczne, inni szukali genetycznych podstaw chorób, które pojawiały się sporadycznie, takich jak rak. W 1976 roku John Michael Bishop i Harold Varmus wykazali, że "onkogeny" to geny, które zostały zmutowane w taki sposób, że kodowane przez nie białka uzyskują nowe lub ulepszone funkcje. Te mutacje "wzmocnienia funkcji" często powodują niekontrolowaną proliferację komórek, co jest krytyczną cechą charakterystyczną raka.
W tej samej dekadzie Alfred Knudson odkrył, że inne geny, zwane supresorami nowotworów, przyczyniają się do raka tylko wtedy, gdy mutacje w obu kopiach genu prowadzą do "utraty funkcji" kodowanego białka. Pomysł Knudsona stał się znany jako "hipoteza dwóch trafień".
W 1983 roku poczyniono znaczące postępy w kierunku lokalizacji genów powodujących choroby, gdy James Gusella użył regularnie rozmieszczonych, wysoce zmiennych segmentów DNA zwanych polimorfizmami długości fragmentów restrykcyjnych, aby zmapować gen choroby Huntingtona do chromosomu czwartego.
Aby jeszcze bardziej ułatwić ten proces mapowania genów, w 1990 r. międzynarodowe konsorcjum naukowców uruchomiło Projekt Poznania Ludzkiego Genomu, którego celem było sekwencjonowanie całego zestawu DNA u ludzi. Projekt ten został w znacznym stopniu ukończony w 2004 roku.
Rok później rozpoczęto publikację danych z międzynarodowego projektu HapMap, którego celem jest stworzenie mapy całego genomu wariantów sekwencji w różnych populacjach ludzkich. Dane te pozwalają teraz naukowcom testować powiązania między wariantami genetycznymi a powszechnymi chorobami. Wraz z rozwojem wysokoprzepustowych technologii sekwencjonowania, któremu towarzyszą coraz niższe koszty, zastosowanie sekwencjonowania do identyfikacji mutacji powodujących chorobę u pacjentów staje się coraz bardziej rzeczywistością.
Po zapoznaniu się z kilkoma wydarzeniami historycznymi, przyjrzyjmy się kilku podstawowym pytaniom w genetyce medycznej.
Po pierwsze, wielu genetyków chce wiedzieć, czy poszczególne choroby są kontrolowane przez czynniki genetyczne. Na początek mogą szukać dowodów na to, że choroba może być dziedziczona przy użyciu klasycznych podejść, takich jak badanie rodzin lub rodzeństwa. Badania te są również skuteczne w określaniu, czy choroba jest monogenowa czy mendlowska, co oznacza, że jest spowodowana mutacjami w pojedynczym genie; lub jest wieloczynnikowy lub złożony, co oznacza, że jest spowodowany wieloma czynnikami genetycznymi i środowiskowymi.
Genetyka złożonych chorób, takich jak choroba Parkinsona czy choroby serca, jest szczególnie trudna do oddzielenia, a wielu badaczy próbuje wykorzystać badania na dużą skalę w różnych populacjach, aby zidentyfikować warianty genetyczne związane z tymi chorobami. Dwa konkurujące ze sobą modele kształtują sposób, w jaki naukowcy radzą sobie z tym pytaniem. Hipoteza "powszechnej choroby/powszechnego wariantu" sugeruje udział wielu wariantów genetycznych, które są powszechne w populacji, z których każdy ma tylko niewielki wpływ, podczas gdy hipoteza "wielu rzadkich wariantów" argumentuje za znaczeniem stosunkowo rzadkich wariantów o dużych skutkach.
Wreszcie, genetycy badają również, w jaki sposób różne techniki genetyczne mogą być stosowane w diagnostyce klinicznej. Mogą badać sposoby zminimalizowania ilości DNA pacjenta wymaganej do badania lub optymalizacji oczyszczania DNA z łatwo dostępnych próbek, takich jak ślina lub krew, w celu oceny czynników ryzyka choroby.
Teraz, gdy znasz już niektóre z kluczowych pytań zadawanych przez genetyków, przyjrzyjmy się technikom, których używają, aby znaleźć odpowiedzi.
Genotypowanie polimorfizmów pojedynczych nukleotydów (SNP) jest jednym z najczęściej stosowanych podejść do identyfikacji zmian sekwencji DNA w populacji. Różnice między pojedynczymi nukleotydami można wykryć poprzez hybrydyzację fragmentów DNA z komplementarnymi oligonukleotydami lub przy użyciu wysoce specyficznych dla sekwencji enzymów restrykcyjnych do generowania fragmentów o różnych rozmiarach.
Genotypowanie oparte na sekwencjonowaniu jest kolejnym powszechnym podejściem do znajdowania mutacji przyczynowych. Klasyczna metoda Sangera opiera się na włączeniu znakowanych, zakończonych łańcuchem nukleotydów przez polimerazę DNA podczas replikacji in vitro i jest rutynowo stosowana, gdy znany jest gen kandydujący.
W przypadku analiz na większą skalę, wysokoprzepustowe sekwencjonowanie nowej generacji może być wykorzystane do wygenerowania ogromnej liczby krótkich sekwencji, które można następnie porównać z nienaruszonym genomem kontrolnym w celu identyfikacji mutacji związanych z chorobą.
W przypadku złożonych chorób badania asocjacyjne całego genomu (GWAS) są wykorzystywane do identyfikacji SNP o różnej częstości występowania w populacjach dotkniętych chorobą i kontrolnych osób niepowiązanych. Wyższa częstość występowania SNP w populacjach dotkniętych chorobą sugeruje związek między wariantem a chorobą.
Wreszcie, różne techniki cytogenetyczne mogą wykrywać zmiany strukturalne w genomie, które mogą prowadzić do chorób. Całe chromosomy mogą być barwione w celu utworzenia kariotypu w celu identyfikacji zmian w strukturze lub liczbie. Alternatywnie, fluorescencyjna hybrydyzacja in situ wykorzystuje znakowane sondy oligonukleotydowe do wizualizacji określonych sekwencji DNA.
Teraz, gdy znasz już niektóre metody stosowane w odkrywaniu genów, przyjrzyjmy się ich zastosowaniom w badaniach nad chorobami.
Jednym z podejść do identyfikacji mutacji powodujących chorobę jest połączenie badania rodowodów rodzinnych z sekwencjonowaniem. W tym badaniu warianty genetyczne wykryto u pacjentów ze schizofrenią poprzez sekwencjonowanie genów kandydujących. Mutacje te zostały sklasyfikowane jako spontaniczne lub de novo, ponieważ nie były dziedziczone.
Inne zastosowanie polega na łączeniu rzadkich wariantów genetycznych ze złożonymi chorobami za pomocą badań asocjacyjnych. Naukowcy połączyli genomy około 1000 osób i wykorzystali sekwencjonowanie nowej generacji do wykrycia mutacji w 32 genach związanych z rakiem. Technika sekwencjonowania zbiorczego pozwoliła zidentyfikować zarówno znane, jak i nowe rzadkie warianty, w tym te, które znaleziono za pomocą porównywalnych technik, takich jak GWAS.
Wreszcie, technologia sekwencjonowania jest obecnie wykorzystywana do informowania o wielu diagnozach klinicznych. W tym eksperymencie badacze wyekstrahowali i pofragmentowali DNA z guzów. Wszystkie egzony kodujące białka zostały następnie wyizolowane poprzez związanie ich z chemicznie znakowanymi komplementarnymi oligonukleotydami i użycie białek o wysokim powinowactwie do znaczników do wychwytywania i zbierania tych kompleksów DNA. Przechwycone DNA zostało następnie zsekwencjonowane i porównane ze zdrowymi próbkami kontrolnymi w celu zidentyfikowania mutacji powodujących raka.
Właśnie obejrzeliście wprowadzenie JoVE do genów i chorób. W tym filmie dokonaliśmy przeglądu historii genetyki medycznej, kluczowych pytań zadawanych przez genetyków, wybitnych strategii badawczych i niektórych z ich obecnych zastosowań. Dzięki za oglądanie!
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
Q1: What is the difference between heritable and sporadic genetic diseases?
Heritable genetic diseases are caused by mutations passed down from generation to generation through families, such as hemophilia. Sporadic genetic diseases, like many cancers, arise from mutations that occur during an individual's lifetime and are not inherited. Understanding this distinction helps geneticists determine whether family history or environmental factors play a greater role in disease development.
Q2: How do oncogenes and tumor suppressors contribute to cancer development differently?
Oncogenes are mutated genes whose encoded proteins gain new or enhanced functionalities, leading to uncontrolled cell proliferation. Tumor suppressors, by contrast, only cause cancer when both copies are mutated, resulting in loss-of-function of the encoded protein. This two-hit hypothesis explains why tumor suppressors require dual mutations, whereas oncogenes need only one mutated copy to promote cancer.
Q3: What are the main techniques used to identify disease-causing mutations?
Geneticists use several approaches including SNP genotyping to detect single nucleotide differences, Sanger sequencing for candidate genes, and high-throughput next-generation sequencing for large-scale analyses. Genome-wide association studies identify SNPs with different frequencies in affected versus control populations. Cytogenetics techniques like karyotyping and fluorescence in situ hybridization detect structural variations within the genome.
Q4: How do the common disease/common variant and multiple rare variant hypotheses differ?
The common disease/common variant hypothesis suggests that many genetic variants common in the population each have modest effects on disease risk. The multiple rare variant hypothesis argues that relatively rare variants with large effects are more important for disease development. These competing models shape how researchers design studies to identify genetic factors in complex diseases like Parkinson's and heart disease.
Q5: What historical discovery established the link between genes and enzyme function in disease?
Archibald Garrod discovered alkaptonuria in 1896, proposing that patients lacked an enzyme involved in protein breakdown. Building on this work, George Beadle and Edward Tatum formulated the one gene, one enzyme hypothesis, suggesting that each gene specifies production of one enzyme controlling a single metabolic pathway step. This foundational concept connected genetic mutations to metabolic disease mechanisms.
Q6: How do researchers use family pedigrees combined with sequencing to identify disease mutations?
Researchers study family pedigrees to trace inheritance patterns and identify affected individuals, then sequence candidate genes in these families to detect mutations. Mutations classified as de novo are spontaneous and not inherited from parents. This approach successfully identified schizophrenia-associated mutations and demonstrates how combining classical genetic analysis with modern sequencing reveals disease-causing variants.
Q7: How is DNA sequencing applied in clinical cancer diagnosis today?
Clinicians extract and fragment DNA from tumor samples, then isolate protein-coding exons using chemically tagged complementary oligonucleotides and high-affinity capture proteins. The captured DNA is sequenced and compared to healthy control samples to identify cancer-causing mutations. This targeted sequencing approach enables personalized diagnosis and informs treatment decisions for cancer patients.
Browse More Videos
Chapters in this video
0:00
Overview
0:53
Historical Highlights
4:57
Key Questions
6:47
Prominent Methods
8:45
Applications
10:23
Summary
Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. All rights reserved