5.2
Генетические скриннинг
Генетический скрининг — это инструмент, используемый для идентификации генов и мутаций, ответственных за интересующие фенотипы. Генетический скрининг…
Генетический скрининг — это аналитический инструмент для изучения корреляции между генотипом и фенотипом организма. В широком смысле они классифицируются на прямые генетические скрининги и обратные генетические скрининги.
Прямой скрининг включает в себя идентификацию генов, ответственных за наблюдаемую характеристику, такую как цвет лепестков, таким образом, используя известный фенотип для изучения неизвестного генотипа.
Эти скрининги обычно включают в себя случайную мутацию генома организма, чтобы вызвать изменение фенотипа. Затем мутантные организмы скрещиваются до тех пор, пока гены не станут гомозиготными, чтобы обеспечить экспрессию рецессивных фенотипов. Затем организмы проверяются на наличие интересующих признаков.
Например, для выявления генов, ответственных за морфологические дефекты в эмбрионах рыбок данио, сперматозоиды взрослых самцов мутируют с химическим веществом этилнитрозомочевиной, а затем скрещивают с самкой дикого типа.
Получившиеся самцы F1 снова скрещиваются с самками дикого типа и доминантными мутациями, наблюдаемыми в потомстве F2. Затем индивидуумы F2 инбредируются для идентификации рецессивных генных мутантов у индивидуумов F3.
Гены, ответственные за измененный фенотип, могут быть определены различными методами. В одном из методов секвенируются геномы нескольких мутантных и диких организмов. Область, которая сходна у всех мутантов, но не у диких типов, помогает в обнаружении мутировавшего гена.
Кроме того, прямой генетический скрининг может быть использован для выявления мутаций, которые усиливают или подавляют тяжесть фенотипа у организмов. Они известны как модификаторные экраны.
В отличие от этого, обратный генетический скрининг идет от генотипа к фенотипу и изучает фенотип, возникающий в результате мутации конкретного гена с неизвестной функцией.
Например, рассмотрим гены молекулярных шаперонов у дрозофилы. Молекулярные шапероны — это белки, необходимые для сворачивания других белков в разных частях организма. Целенаправленное подавление различных генов-шаперонов в глазах дрозофилы может привести к наблюдаемым морфологическим дефектам, тем самым помогая определить, какие из этих шаперонов необходимы для развития глаза.
В качестве альтернативы, скрининг экспрессии является еще одним методом обратной генетики. Здесь ген с неизвестной функцией экспрессируется в другом организме, а изменения фенотипа наблюдаются у хозяина для определения функции гена.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: What is the difference between forward and reverse genetic screens?
Forward genetic screens start with a known phenotype to identify unknown genes responsible for that trait. Reverse genetic screens begin with a known gene of unknown function and examine the resulting phenotype after mutation. Forward screens use random mutagenesis, while reverse screens target specific genes through knockdown or expression manipulation.
Q2: How do forward genetic screens identify mutated genes in organisms?
Forward genetic screens randomly mutate an organism's genome using chemicals like ethylnitrosourea, then breed mutants to homozygosity to reveal recessive phenotypes. Researchers screen progeny for traits of interest and identify mutated genes by sequencing genomes of multiple mutants and wild-type organisms. Regions similar across all mutants but absent in wild types pinpoint the mutated gene location.
Q3: What are modifier screens and how do they work?
Modifier screens are forward genetic screens that identify mutations enhancing or suppressing the severity of an existing phenotype. They help researchers understand genetic interactions and regulatory pathways by finding genes that modify the expression or impact of known mutations, revealing how different genes interact to influence trait expression.
Q4: How does expression screening function as a reverse genetic approach?
Expression screening is a reverse genetic method where a gene with unknown function is expressed in a different host organism. Researchers observe phenotypic changes in the host to determine the gene's function. This approach helps identify novel proteins and understand gene roles by observing how expression in a new cellular context affects organism development or physiology.
Q5: What are the main applications of genetic screens in research and medicine?
Genetic screens identify protein interactions, characterize gene-drug interactions, and understand disease causes. They help identify genes involved in neurodegenerative diseases, screen drug effects on mutant libraries, and analyze molecular networks disrupted in human disease. Screens also enable early intervention and targeted therapy for individuals at genetic disease risk.
Q6: Why is homozygosity important in forward genetic screening?
Homozygosity ensures that recessive mutations are expressed in the phenotype, making them observable during screening. Forward genetic screens breed mutant organisms to homozygosity so that both alleles carry the mutation, allowing researchers to detect recessive traits that would otherwise be masked by wild-type dominant alleles in heterozygous individuals.
Q7: How do genetic screens help identify genes involved in specific developmental processes?
Reverse genetic screens target known genes and observe resulting phenotypic changes, helping identify genes essential for specific processes. For example, knocking down molecular chaperone genes in Drosophila eyes reveals morphological defects, identifying which chaperones are critical for eye development. This targeted approach directly links gene function to developmental outcomes.