Genetik ve Hastalığa Genel Bir Bakış

Birçok insan hastalığının genetik bir bileşeni vardır, yani bunlara bireyin DNA'sındaki varyasyonlar veya mutasyonlar neden olur. Kalıtsal genetik hastalıklar, nesilden nesile aktarılabilen hastalıklardır, ancak birçok kanser türü de dahil olmak üzere tüm genetik hastalıklar kalıtsal değildir. Bilim adamları ve klinisyenler, hastalıkla ilişkili genleri keşfederek ve karakterize ederek, hastalar için teşhis ve tedavileri iyileştirmeyi umuyorlar.

Bu video, genetik hastalıkların kısa bir tarihçesini sunacak, genetikçiler tarafından sorulan temel soruları tanıtacak, bu soruları yanıtlamak için bazı araçları açıklayacak ve birkaç güncel uygulamayı tartışacaktır.

Genetik hastalık araştırmaları tarihindeki bazı dönüm noktası çalışmalarını gözden geçirerek başlayalım.

1803'te John Conrad Otto, öncelikle erkekleri etkileyen bir kan pıhtılaşma bozukluğunu tanımlayan bir makale yayınladı. Otto bu hastalığın bazı ailelerde görüldüğünü kabul etse de, 1813'te kalıtım modelini tanımlayan John Hay'dı ve etkilenen erkeklerin hastalığı etkilenmemiş kızları aracılığıyla torunlarına geçirebileceğini gösterdi. Bugün, bu hastalık hemofili olarak bilinir ve artık X kromozomu üzerinde bulunan belirli kan pıhtılaşma faktörleri için bir gendeki resesif mutasyonlardan kaynaklandığını biliyoruz. Dişiler normalde iki X kromozomuna sahip olduğundan, ancak erkeklerde sadece bir tane bulunduğundan, genin mutasyona uğramış bir kopyasını miras alan dişiler sağlıklıdır, ancak mutasyona sahip erkekler hastalığı ortaya çıkaracaktır.

1896'da Archibald Garrod, hastaların idrarının havaya maruz kaldığında siyaha döndüğü alkaptonüri adı verilen nadir bir kalıtsal hastalık keşfetti. Bu bireylerin, proteinin kimyasal parçalanmasında rol oynayan bir enzimden yoksun olduğunu öne sürdü ve benzer "doğuştan gelen metabolizma hatalarının" birçok kalıtsal hastalığın nedeni olabileceğini öne sürdü.

Garrod'un çalışmasına dayanarak, 1941'de George Beadle ve Edward Tatum, enzimlerin metabolik yollarda nasıl davrandığına bakmak için ekmek küfü ile deneyler yaptılar. Bir genin, bir metabolik yolun bir basamağını kontrol etmek için bir enzimin üretimini belirttiği önerisi, "bir gen, bir enzim hipotezi" olarak bilinir hale geldi.

1966'da, izole popülasyonlarda nadir görülen genetik hastalıkların araştırılmasına öncülük eden "tıbbi genetiğin babası" Victor McKusick, günümüzde güncellenmeye devam eden kalıtsal hastalıkların kesin kataloğu olan Mendel Kalıtımını İnsanda derledi ve yayınladı.

Birçok bilim adamı kalıtsal hastalıkları araştırırken, diğerleri kanser gibi sporadik olarak ortaya çıkan hastalıkların genetik temelini aradı. 1976'da John Michael Bishop ve Harold Varmus, "onkogenlerin", kodlanmış proteinlerinin yeni veya gelişmiş işlevler kazanacağı şekilde mutasyona uğramış genler olduğunu gösterdi. Bu "işlev kazanımı" mutasyonları genellikle kanserin kritik bir özelliği olan kontrolsüz hücre çoğalmasına neden olur.

Aynı on yıl içinde, Alfred Knudson, tümör baskılayıcılar olarak adlandırılan diğer genlerin, yalnızca genin her iki kopyasındaki mutasyonlar kodlanmış proteinin "işlev kaybına" yol açtığında kansere katkıda bulunduğunu keşfetti. Knudson'un fikri "iki vuruş hipotezi" olarak tanındı.

1983'te, James Gusella, Huntington hastalığı genini kromozom dörtle eşleştirmek için restriksiyon fragmanı uzunluk polimorfizmleri adı verilen düzenli aralıklı, oldukça değişken DNA segmentleri kullandığında, hastalığa neden olan genlerin bulunmasına yönelik önemli adımlar atıldı.

Bu gen haritalama sürecini daha da kolaylaştırmak için, 1990'da uluslararası bir bilim adamları konsorsiyumu, insanlardaki tüm DNA setini sıralamak için İnsan Genom Projesi'ni başlattı. Bu proje 2004 yılında büyük ölçüde tamamlanmıştır.

Bir yıl sonra, amacı farklı insan popülasyonları arasında dizi varyantlarının genom çapında bir haritasını oluşturmak olan Uluslararası HapMap Projesi'nden veri yayınlanmaya başladı. Bu veriler artık araştırmacıların genetik varyantlar ve yaygın hastalıklar arasındaki ilişkileri test etmelerine izin veriyor. Yüksek verimli dizileme teknolojilerinin gelişmesi ve giderek artan maliyetlerle birlikte, hastalarda hastalığa neden olan mutasyonları tanımlamak için dizileme kullanımı giderek daha fazla gerçeğe dönüşüyor.

Bazı tarihsel olayları gözden geçirdikten sonra, tıbbi genetikteki birkaç temel soruyu inceleyelim.

İlk olarak, birçok genetikçi, belirli hastalıkların genetik faktörler tarafından kontrol edilip edilmediğini bilmek ister. Başlamak için, aileleri veya kardeşleri incelemek gibi klasik yaklaşımlar kullanılarak hastalığın kalıtsal olabileceğine dair kanıt arayabilirler. Bu çalışmalar aynı zamanda hastalığın monogenik mi yoksa Mendel mi olduğunu belirlemek için güçlüdür, bu da tek bir gendeki mutasyonlardan kaynaklandığı anlamına gelir; veya çok faktörlü veya karmaşıktır, yani çoklu genetik ve çevresel faktörlerden kaynaklanır.

Parkinson veya kalp hastalığı gibi karmaşık hastalıkların genetiğinin birbirinden ayrılması özellikle zordur ve birçok araştırmacı, bu hastalıklarla ilişkili genetik varyantları tanımlamak için popülasyonlar arasında büyük ölçekli çalışmalar kullanmaya çalışmaktadır. İki rakip model, bilim adamlarının soruyu nasıl ele aldıklarını şekillendiriyor. "Yaygın hastalık/yaygın varyant" hipotezi, popülasyonda yaygın olan ve her biri sadece mütevazı bir etkiye sahip olan birçok genetik varyantın dahil olduğunu öne sürerken, "çoklu nadir varyant" hipotezi, büyük etkilere sahip nispeten nadir varyantların önemini savunmaktadır.

Son olarak, genetikçiler ayrıca farklı genetik tekniklerin klinik tanıda nasıl kullanılabileceğini araştırırlar. Test için gereken hasta DNA miktarını en aza indirmenin veya hastalık risk faktörlerini değerlendirmek için tükürük veya kan gibi kolay erişilebilir örneklerden DNA saflaştırmasını optimize etmenin yollarını inceleyebilirler.

Artık genetikçiler tarafından sorulan bazı temel soruları bildiğinize göre, cevapları bulmak için kullandıkları tekniklere bakalım.

Tek nükleotid polimorfizmlerinin veya SNP'lerin genotiplenmesi, bir popülasyondaki DNA dizisi varyasyonlarını tanımlamak için en yaygın kullanılan yaklaşımlardan biridir. Tek nükleotid farklılıkları, DNA fragmanlarının tamamlayıcı oligonükleotidlere hibritleştirilmesiyle veya farklı büyüklükte fragmanlar oluşturmak için yüksek oranda diziye özgü kısıtlama enzimleri kullanılarak tespit edilebilir.

Dizileme tabanlı genotipleme, nedensel mutasyonları bulmak için başka bir yaygın yaklaşımdır. Klasik Sanger yöntemi, in vitro replikasyonu sırasında DNA polimeraz tarafından etiketlenmiş, zincir sonlandırıcı nükleotidlerin dahil edilmesine dayanır ve bir aday gen bilindiğinde rutin olarak kullanılır.

Daha büyük ölçekli analizler için, yüksek verimli yeni nesil dizileme, daha sonra hastalıkla ilişkili mutasyonları tanımlamak için etkilenmemiş bir kontrol genomu ile karşılaştırılabilecek çok sayıda kısa dizi oluşturmak için kullanılabilir.

Karmaşık hastalıklar için, genom çapında ilişkilendirme çalışmaları veya GWAS, ilgisiz deneklerin etkilenen ve kontrol edilen popülasyonlarında farklı frekanslara sahip SNP'leri tanımlamak için kullanılır. Etkilenen popülasyonlarda SNP'nin daha yüksek sıklığı, varyant ile hastalık arasında bir ilişki olduğunu düşündürmektedir.

Son olarak, çeşitli sitogenetik teknikler, genom içinde hastalıklara yol açabilecek yapısal varyasyonları tespit edebilir. Tüm kromozomlar, yapı veya sayıdaki değişiklikleri tanımlamak için bir karyotip oluşturmak üzere boyanabilir. Alternatif olarak, floresan in situ hibridizasyonu, spesifik DNA dizilerini görselleştirmek için etiketli oligonükleotid probları kullanır.

Artık gen keşfinde kullanılan bazı yöntemlere aşina olduğunuza göre, hastalık araştırmalarındaki uygulamalarına bakalım.

Hastalığa neden olan mutasyonları tanımlamaya yönelik bir yaklaşım, aile soyağacı çalışmasını dizileme ile birleştirmektir. Bu çalışmada şizofreni hastalarında aday genlerin dizilenmesi ile genetik varyantlar tespit edilmiştir. Bu mutasyonlar, kalıtsal olmadıkları için spontan veya de novo olarak sınıflandırıldı.

Diğer bir uygulama, nadir genetik varyantların ilişkilendirme çalışmaları yoluyla karmaşık hastalıklara bağlanmasını içerir. Burada, araştırmacılar yaklaşık 1000 bireyden genomları bir araya getirdiler ve kanserle ilgili 32 gendeki mutasyonları tespit etmek için yeni nesil dizileme kullandılar. Havuzlanmış dizileme tekniği, GWAS gibi karşılaştırılabilir tekniklerle bulunanlar da dahil olmak üzere hem bilinen hem de yeni nadir varyantları tanımladı.

Son olarak, dizileme teknolojisi artık birçok klinik tanıyı bilgilendirmek için kullanılmaktadır. Bu deneyde, araştırmacılar tümörlerden DNA çıkardılar ve parçaladılar. Tüm protein kodlayan ekzonlar daha sonra kimyasal olarak etiketlenmiş tamamlayıcı oligonükleotidlere bağlanarak ve bu DNA komplekslerini yakalamak ve toplamak için etiketlere yüksek afiniteye sahip proteinler kullanılarak izole edildi. Yakalanan DNA daha sonra dizilendi ve kansere neden olan mutasyonları tanımlamak için sağlıklı kontrol örnekleriyle karşılaştırıldı.

Az önce JoVE'nin genler ve hastalıklarla tanışmasını izlediniz. Bu videoda, tıbbi genetiğin tarihçesini, genetikçiler tarafından sorulan temel soruları, öne çıkan araştırma stratejilerini ve güncel uygulamalarından bazılarını gözden geçirdik. İzlediğiniz için teşekkürler!