Genetik und Krankheiten im Überblick

Genetics
 

Summary

Viele menschliche Erkrankungen werden Mutationen oder Variationen in Gensequenzen zugeordnet. Einige dieser genetischen Varianten sind erblich, von Generation zu Generation weitergegeben, während andere sporadisch während eines Organismus Leben entstehen und Krankheiten wie Krebs verursachen. Forscher versuchen zu identifizieren und zu charakterisieren diese genetischen Veränderungen in der Hoffnung, Diagnose und Therapieoptionen für Patienten zu verbessern.

In diesem Video werden wir untersuchen die Geschichte der Erforschung von genetischen Krankheiten und erkunden Sie wichtige Fragen, die die medizinische Genetiker. Verschiedene Werkzeuge, die zur Identifizierung der genetischen Grundlagen von Krankheiten werden dann diskutiert, einschließlich Genotyping Techniken und genomweite Assoziationsstudien (GWAS). Schließlich werden einige aktuelle Beispiele für medizinische Genetikforschung dargestellt.

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JoVE Science Education Database. Grundlagen der Genetik. Genetik und Krankheiten im Überblick. JoVE, Cambridge, MA, (2017).

Viele Krankheiten haben eine genetische Komponente, was bedeutet, dass sie durch Variationen oder Mutationen in der DNA eines Individuums verursacht werden. Vererbbare genetische Krankheiten sind diejenigen, die von Generation zu Generation weitergegeben werden können, aber nicht alle genetische Erkrankungen sind vererbbar, darunter viele Arten von Krebs. Durch die Entdeckung und Charakterisierung von krankheitsassoziierten Gene, hoffen Wissenschaftlern und Klinikern, Diagnostik und Therapien für Patienten zu verbessern.

Dieses Video wird eine kurze Geschichte von Erbkrankheiten zu präsentieren, stellen wichtige Fragen, die die Genetiker beschreiben einige Werkzeuge, die für die Beantwortung dieser Fragen und diskutieren einige aktuelle Anwendungen.

Zunächst einige Wahrzeichen Studien in der Geschichte der Erforschung von genetischen Krankheiten zu überprüfen.

1803 veröffentlichte John Conrad Otto einen Artikel beschreibt eine Blutgerinnung Störung, die in erster Linie Männer betroffen. Während Otto, dass diese Krankheit in bestimmten Familien lief erkannt, war es John Hay, definiert seine Vererbungsmuster 1813, zeigen, dass betroffene Männer die Krankheit an ihre Enkel durch unberührt Töchter weitergeben könnten. Heute nennt man diese Krankheit Hämophilie, und wir wissen jetzt, dass sie durch rezessive Mutationen in einem gen für bestimmte Blutgerinnungsfaktoren befindet sich auf dem X-Chromosom verursacht wird. Frauen haben in der Regel zwei Chromosome, denn Männer haben nur eine, Frauen, die eine mutierte Kopie des Gens Erben sind gesund, aber Männer mit der Mutation werden die Krankheit manifestieren.

Im Jahr 1896 entdeckt Archibald Garrod eine seltene Erbkrankheit namens Alkaptonurie, wo Patienten Urin Schwarz als an der Luft geworden. Er postuliert, dass diese Personen fehlte ein Enzym in den chemischen Abbau von Protein beteiligt, und schlug vor, dass ähnliche "angeborene Fehler des Stoffwechsels" die Ursache für viele Erbkrankheiten sein könnte.

Aufbauend auf Garrods Arbeit, 1941, führte George Beadle und Edward Tatum Experimente mit Brot Schimmel zu schauen, wie Enzyme in Stoffwechselwege zu handeln. Ihr Vorschlag, dass ein gen die Produktion eines Enzyms, ein Schritt von einem Stoffwechselweg Steuern spezifiziert wurde bekannt als die "ein Gen, ein Enzym Hypothese."

1966, Victor McKusick, der "Vater der medizinischen Genetik" die Studie der seltenen genetischen Krankheiten in Pionier der isolierten Populationen, zusammengestellt und veröffentlicht Mendelian Erbschaft im Mann, der definitive Katalog der erblichen Krankheiten, die weiterhin heute aktualisiert werden.

Während viele Wissenschaftler Erbkrankheiten untersucht, suchten andere der genetischen Grundlagen von Krankheiten, die nur sporadisch, wie zum Beispiel Krebs erschienen. Im Jahr 1976 John Michael Bishop und Harold Varmus gezeigt, dass "Onkogene" Gene, die so mutiert sind wurden, dass ihre kodierten Proteine neue oder verbesserte Funktionen erwerben. Diese "Gain of Function" Mutationen führen oft unkontrollierte Zellvermehrung, eine kritische Markenzeichen von Krebs.

Innerhalb des gleichen Jahrzehnts entdeckt Alfred Knudson, dass andere Gene, genannt Tumor-Suppressoren, nur zu Krebs beitragen, wenn Mutationen in beiden Kopien des Gens zu "Loss of Function" des kodierten Proteins geführt. Knudson Idee wurde bekannt als die "zwei-Hit-Hypothese."

Im Jahr 1983 wurden erhebliche Fortschritte in Richtung Ortung krankheitsverursachenden Gene gemacht, wenn James Gusella regelmäßig angeordneten, hochvariablen DNA-Segmente, so genannte Beschränkung Fragment-Länge-Polymorphismen verwendet, um das Chorea Huntington-Gen auf Chromosom 4 zuzuordnen.

Zur weiteren Erleichterung dieses Prozesses gen Mapping, im Jahr 1990 startete ein internationales Konsortium von Wissenschaftlern das Human Genome Project um die Gesamtheit der DNA beim Menschen zu sequenzieren. Dieses Projekt wurde im Jahr 2004 im Wesentlichen abgeschlossen.

Ein Jahr später begann Datenfreigabe International HapMap Projekt, dessen Ziel ist die Schaffung eine genomweiten Karte von Sequenzvarianten unter verschiedenen menschlichen Populationen. Diese Daten können nun Forscher, um Zusammenhänge zwischen genetischen Varianten und Volkskrankheiten zu testen. Mit der Entwicklung von Hochdurchsatz-Sequenziertechnologien, begleitet von je Kostensenkung wird die Verwendung von Sequenzierung, krankheitsverursachende Mutationen bei Patienten zu identifizieren zunehmend Realität.

Nachdem Sie sich einige historische Highlights, betrachten wir ein paar grundlegende Fragen der medizinischen Genetik.

Erstens: viele Genetiker wollen wissen, ob bestimmte Krankheiten durch genetische Faktoren gesteuert werden. Um zu beginnen, können sie suchen Beweise, dass die Krankheit vererbt werden kann, mit klassischen Ansätzen, wie Familien oder Geschwister studiert. Diese Studien sind auch stark zur Bestimmung, ob die Krankheit monogenen oder Mendelian, d. h. durch Mutationen in einem einzelnen Gen verursacht wird; oder ist multifaktoriell oder komplexe, Bedeutung, die es von mehreren genetischen und umweltbedingten Faktoren verursacht wird.

Die Genetik von komplexen Krankheiten wie Parkinson oder Herz-Kreislauferkrankungen, ist besonders schwierig auseinander zu necken, und viele Forscher versuchen, groß angelegte Studien in der Bevölkerung zu verwenden, um genetische Varianten im Zusammenhang mit diesen Krankheiten zu identifizieren. Zwei konkurrierende Modelle prägen wie Wissenschaftler die Frage angehen. Die "gemeinsame Krankheit/Common Variante" Hypothese besagt die Beteiligung von vielen genetischen Varianten, die sind in der Bevölkerung, jeweils nur eine bescheidene Wirkung, während die "mehrere seltene Variante" Hypothese für die Bedeutung der relativ seltenen Varianten mit großen Auswirkungen argumentiert.

Zu guter Letzt Genetiker auch untersuchen, wie verschiedene genetische Techniken können in der klinischen Diagnose verwendet werden. Sie können prüfen den Patienten DNA, die für die Prüfung erforderliche minimieren oder DNA-Reinigung aus leicht zugänglichen Proben, wie Speichel oder Blut, Krankheit Risikofaktoren einzuschätzen zu optimieren.

Nun, da Sie wissen, dass einige der wichtigsten Fragen, die Genetiker, betrachten wir die Techniken, die sie verwenden, um Antworten zu finden.

Die Genotypisierung von single Nucleotide Polymorphisms oder SNPs, ist eines der am weitesten verbreitete Ansätze zur DNA-Sequenzvariationen in einer Population zu identifizieren. Einzel-Nukleotid-Unterschiede können durch DNA-Fragmente zu komplementären Oligonukleotiden hybridisieren oder mithilfe Sequenz hochspezifische Restriktionsenzyme, um verschieden große Fragmente zu generieren festgestellt werden.

Sequenzierung-basierten Genotypisierung ist eine andere Möglichkeit für die Suche nach ursächlichen Mutationen. Die klassische Sanger-Methode beruht auf dem Einbau von beschrifteten, Kette zum Abbruch Nukleotide durch DNA-Polymerase während der in-vitro- Replikation und wird routinemäßig verwendet, wenn ein Kandidat-gen bekannt ist.

Hochdurchsatz-Sequenzierung der nächsten Generation ist für größere Skala Analysen lässt sich massive Anzahl von kurzen Sequenzen generieren, die dann mit einem unberührt Kontrolle Genom krankheitsassoziierten Mutationen zu identifizieren verglichen werden kann.

Für komplexe Krankheiten, genomweite Assoziationsstudien oder GWAS werden verwendet, um SNPs mit verschiedenen Frequenzen im betroffenen und Kontrolle Populationen von nicht verwandten Themen zu identifizieren. Höherer Frequenz von einem SNP in der betroffenen Bevölkerung suggeriert einen Zusammenhang zwischen der Variante und die Krankheit.

Schließlich erkennt verschiedene Zytogenetik Techniken strukturelle Veränderungen im Genom, die zu Krankheiten führen können. Ganze Chromosomen können gefärbt werden, um einen Karyotyp zum Identifizieren von Änderungen in der Struktur oder Zahl zu bilden. Hingegen wird die Fluoreszenz in Situ Hybridisierung markierte Oligonukleotid Sonden, um spezifische DNA-Sequenzen zu visualisieren.

Nun, da Sie einige Methoden der gen-Entdeckung kennen, schauen Sie sich bitte an ihren Anwendungen in der Erforschung von Krankheiten.

Ein Ansatz zur Identifizierung krankheitsauslösende Mutationen ist das Studium der Familie Stammbäume mit Sequenzierung zu kombinieren. In dieser Studie wurden genetische Varianten durch Sequenzierung Kandidatengene bei Schizophrenie-Patienten festgestellt. Diese Mutationen wurden als spontane, klassifiziert oder de Novo, da sie nicht vererbt wurden.

Eine andere Anwendung beinhaltet eine seltene genetische Varianten mit komplexen Erkrankungen durch Assoziationsstudien verknüpfen. Hier, Forscher gepoolten Genome von ca. 1000 Personen und gebrauchte Next Generation Sequencing, Mutationen in 32 Krebs-Genen zu erkennen. Die gepoolte Sequenzierung Technik identifiziert bekannte und neuartige seltene Varianten, darunter auch solche, die mit vergleichbaren Techniken wie GWAS gefunden wurden.

Schließlich dient Sequenzierung Technik heute viele klinische Diagnosen zu informieren. In diesem Experiment Ermittler extrahiert und fragmentierte DNA von Tumoren. Alle Protein-kodierenden Exons wurden dann durch binden, chemisch tagged komplementären Oligonukleotiden und Proteine mit hoher Affinität für die Tags zu erfassen und sammeln diese komplexe DNA isoliert. Die erfassten DNA war dann sequenziert und im Vergleich zu gesunden Kontrollproben um krebserregende Mutationen zu identifizieren.

Sie habe nur Jupiters Einführung in Genen und Krankheiten beobachtet. In diesem Video haben wir die Geschichte der medizinischen Genetik Schlüsselfragen gestellt durch Genetiker, prominente Forschungsstrategien und einige ihrer aktuellen Anwendungen. Danke fürs Zuschauen!

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