Обзор генетики и болезней

Многие болезни человека имеют генетический компонент, что означает, что они вызваны вариациями или мутациями в ДНК человека. Наследственные генетические заболевания – это те, которые могут передаваться из поколения в поколение, но не все генетические заболевания являются наследственными, включая многие виды рака. Обнаруживая и характеризуя гены, связанные с заболеванием, ученые и клиницисты надеются улучшить диагностику и лечение пациентов.

В этом видео будет представлена краткая история генетических заболеваний, представлены ключевые вопросы, которые задают генетики, описаны некоторые инструменты для ответа на эти вопросы, а также обсуждены некоторые современные приложения.

Давайте начнем с обзора некоторых знаковых исследований в истории исследований генетических заболеваний.

В 1803 году Джон Конрад Отто опубликовал статью, описывающую нарушение свертываемости крови, которое в первую очередь поражало мужчин. В то время как Отто признавал, что эта болезнь передается в определенных семьях, именно Джон Хэй в 1813 году определил схему ее наследования, показав, что больные мужчины могут передавать болезнь своим внукам через здоровых дочерей. Сегодня это заболевание известно как гемофилия, и мы знаем, что оно вызвано рецессивными мутациями в гене, отвечающем за специфические факторы свертывания крови, расположенные на Х-хромосоме. Поскольку у самок обычно две Х-хромосомы, а у самцов только одна, самки, которые наследуют одну мутировавшую копию гена, здоровы, но у самцов с мутацией болезнь проявится.

В 1896 году Арчибальд Гаррод обнаружил редкое наследственное заболевание под названием алкаптонурия, при котором моча пациентов становилась черной при контакте с воздухом. Он предположил, что у этих людей отсутствует фермент, участвующий в химическом расщеплении белка, и предположил, что подобные «врожденные нарушения метаболизма» могут быть причиной многих наследственных заболеваний.

Основываясь на работе Гаррода, в 1941 году Джордж Бидл и Эдвард Татум провели эксперименты с хлебной плесенью, чтобы посмотреть, как ферменты действуют в метаболических путях. Их предположение о том, что один ген определяет выработку одного фермента для управления одним этапом метаболического пути, стало известно как гипотеза «один ген, один фермент».В

1966 году Виктор МакКьюсик, «отец медицинской генетики», который стал пионером в изучении редких генетических заболеваний в изолированных популяциях, составил и опубликовал книгу «Менделевское наследование у человека». Полный каталог наследственных заболеваний, который продолжает обновляться и сегодня.

В то время как многие ученые исследовали наследственные заболевания, другие искали генетическую основу заболеваний, которые появлялись спорадически, таких как рак. В 1976 году Джон Майкл Бишоп и Гарольд Вармус продемонстрировали, что «онкогены» — это гены, которые мутировали таким образом, что их кодируемые белки приобретают новые или расширенные функциональные возможности. Эти мутации часто приводят к неконтролируемой пролиферации клеток, что является критическим признаком рака.

В том же десятилетии Альфред Кнудсон обнаружил, что другие гены, называемые супрессорами опухолей, способствуют развитию рака только в том случае, если мутации в обеих копиях гена приводят к «потере функции» закодированного белка. В

1983 году были достигнуты значительные успехи в обнаружении генов, вызывающих болезни, когда Джеймс Гуселла использовал регулярно расположенные и сильно вариабельные сегменты ДНК, называемые полиморфизмами длины рестрикционных фрагментов, для отображения гена болезни Хантингтона на четвертую хромосому.

Чтобы еще больше облегчить этот процесс картирования генов, в 1990 году международный консорциум ученых запустил проект «Геном человека» для секвенирования всего набора ДНК человека. Этот проект был в основном завершен в 2004 году.

Год спустя начался выпуск данных международного проекта HapMap, целью которого является создание полногеномной карты вариантов последовательностей среди различных человеческих популяций. Эти данные теперь позволяют исследователям проверять связь между генетическими вариантами и распространенными заболеваниями. С развитием высокопроизводительных технологий секвенирования, сопровождающихся все более низким уровнем затрат, использование секвенирования для выявления мутаций, вызывающих заболевание у пациентов, становится все более реальным.

Рассмотрев некоторые исторические моменты, давайте рассмотрим несколько фундаментальных вопросов медицинской генетики.

Во-первых, многие генетики хотят знать, контролируются ли те или иные болезни генетическими факторами. Для начала они могут искать доказательства того, что болезнь может быть унаследована с помощью классических подходов, таких как изучение семей или братьев и сестер. Эти исследования также важны для определения того, является ли болезнь моногенной или менделевской, что означает, что она вызвана мутациями в одном гене; или является многофакторным или сложным, то есть он вызван множественными генетическими факторами и факторами окружающей среды.

Генетику сложных заболеваний, таких как болезнь Паркинсона или болезни сердца, особенно трудно отделить друг от друга, и многие исследователи пытаются использовать крупномасштабные исследования в разных популяциях для выявления генетических вариантов, связанных с этими заболеваниями. Две конкурирующие модели определяют то, как ученые решают этот вопрос. Гипотеза «общего заболевания/общего варианта» предполагает участие многих генетических вариантов, которые распространены в популяции, каждый из которых оказывает лишь умеренное влияние, в то время как гипотеза «множественного редкого варианта» доказывает важность относительно редких вариантов с большими последствиями.

Наконец, генетики также исследуют, как различные генетические методы могут быть использованы в клинической диагностике. Они могут изучить способы минимизации количества ДНК пациента, необходимого для тестирования, или оптимизации очистки ДНК из легкодоступных образцов, таких как слюна или кровь, для оценки факторов риска заболевания.

Теперь, когда вы знаете некоторые ключевые вопросы, которые задают генетики, давайте рассмотрим методы, которые они используют для поиска ответов.

Генотипирование однонуклеотидных полиморфизмов, или SNP, является одним из наиболее широко используемых подходов к выявлению вариаций последовательности ДНК в популяции. Однонуклеотидные различия могут быть обнаружены путем гибридизации фрагментов ДНК с комплементарными олигонуклеотидами или с помощью высокоспецифичных ферментов рестрикции для получения фрагментов разного размера.

Генотипирование на основе секвенирования является еще одним распространенным подходом к поиску причинных мутаций. Классический метод Сэнгера основан на включении меченых, завершающих цепь нуклеотидов с помощью ДНК-полимеразы во время репликации in vitro и обычно используется, когда известен ген-кандидат

Для более масштабного анализа можно использовать высокопроизводительное секвенирование нового поколения для создания огромного количества коротких последовательностей, которые затем можно сравнить с незатронутым контрольным геномом для выявления мутаций, связанных с заболеванием.

Для сложных заболеваний используются полногеномные ассоциативные исследования, или GWAS, для выявления SNP с разной частотой у пораженных и контрольных популяций неродственных субъектов. Более высокая частота SNP среди затронутых групп населения предполагает связь между вариантом и заболеванием.

Наконец, различные методы цитогенетики могут обнаруживать структурные изменения в геноме, которые могут привести к заболеваниям. Целые хромосомы могут быть окрашены для формирования кариотипа для выявления изменений в структуре или количестве. В качестве альтернативы при флуоресцентной гибридизации in situ используются меченые олигонуклеотидные зонды для визуализации конкретных последовательностей ДНК.

Теперь, когда вы знакомы с некоторыми методами, используемыми в открытии генов, давайте рассмотрим их применение в исследовании заболеваний.

Один из подходов к выявлению мутаций, вызывающих заболевания, заключается в том, чтобы сочетать изучение семейных родословных с секвенированием. В этом исследовании генетические варианты были обнаружены у пациентов с шизофренией путем секвенирования генов-кандидатов. Эти мутации были классифицированы как спонтанные, или de novo, поскольку они не передавались по наследству.

Еще одно применение включает в себя связывание редких генетических вариантов со сложными заболеваниями с помощью ассоциативных исследований. Здесь исследователи объединили геномы примерно 1000 человек и использовали секвенирование нового поколения для обнаружения мутаций в 32 генах, связанных с раком. Метод объединенного секвенирования идентифицировал как известные, так и новые редкие варианты, в том числе те, которые были обнаружены с помощью сопоставимых методов, таких как GWAS.

Наконец, технология секвенирования в настоящее время используется для информирования многих клинических диагнозов. В этом эксперименте исследователи извлекли и фрагментировали ДНК из опухолей. Затем все белок-кодирующие экзоны были выделены путем связывания их с химически помеченными комплементарными олигонуклеотидами и использования белков с высоким сродством к меткам для захвата и сбора этих комплексов ДНК. Затем захваченная ДНК была секвенирована и сравнена со здоровыми контрольными образцами с целью выявления мутаций, вызывающих рак.

Вы только что посмотрели введение JoVE в гены и болезни. В этом видео мы рассмотрели историю медицинской генетики, ключевые вопросы, которые задают генетики, основные исследовательские стратегии и некоторые из их текущих применений. Спасибо за просмотр!