סקירה כללית של גנטיקה ומחלות

למחלות אנושיות רבות יש מרכיב גנטי, כלומר הן נגרמות על ידי וריאציות או מוטציות בדנ"א של הפרט. מחלות גנטיות מתישתיות הן אלה שניתן להעביר מדור לדור, אך לא כל המחלות הגנטיות הן מתישתיות, כולל סוגים רבים של סרטן. על ידי גילוי ואפיון גנים הקשורים למחלות, מדענים ורופאים מקווים לשפר את האבחון וה טיפולים עבור חולים.

וידאו זה יציג היסטוריה קצרה של מחלות גנטיות, יציג שאלות מרכזיות שנשאלו על ידי גנטיקאים, יתאר כמה כלים לענות על שאלות אלה, ולדון בכמה יישומים נוכחיים.

בואו נתחיל על ידי סקירת כמה מחקרים ציון דרך בהיסטוריה של מחקר מחלות גנטיות.

בשנת 1803, ג'ון קונרד אוטו פרסם מאמר המתאר הפרעת קרישת דם שהשפיעה בעיקר על גברים. בעוד אוטו זיהה את המחלה הזו רצה במשפחות מסוימות, היה זה ג'ון היי שהגדיר את דפוס הירושה שלה בשנת 1813, והראה כי גברים מושפעים יכולים להעביר את המחלה לנכדים שלהם באמצעות בנות לא מושפעות. כיום, מחלה זו ידועה בשם המופיליה, וכעת אנו יודעים שהיא נגרמת על ידי מוטציות רצסיביות בגן לגורמי קרישת דם ספציפיים הממוקמים על כרומוזום X. מכיוון שלנקבות יש בדרך כלל שני כרומוזומי X, אבל לזכרים יש רק אחד, נקבות היורשות עותק מוטציה אחד של הגן הן בריאות, אבל זכרים עם המוטציה יתבטאו במחלה.

בשנת 1896, ארצ'יבלד גארוד גילה מחלה תורשתית נדירה הנקראת אלקפטונוריה, שבה השתן של החולים הפך שחור כאשר נחשף לאוויר. הוא הציב כי אנשים אלה חסרים אנזים המעורב בפירוק הכימי של חלבון, והציע כי דומה "טעויות מולדות של חילוף החומרים" יכול להיות הגורם למחלות תורשתיות רבות.

בהתבסס על עבודתו של גארוד, בשנת 1941, ג'ורג ' בידל ואדוארד טייטום ערכו ניסויים עם עובש לחם כדי לבחון כיצד אנזימים פועלים במסלולים מטבוליים. ההצעה שלהם כי גן אחד מציין את הייצור של אנזים אחד, כדי לשלוט צעד אחד של מסלול מטבולי, נודע בשם "גן אחד, השערת אנזים אחד."

בשנת 1966, ויקטור McKusick, "אבי הגנטיקה הרפואית" שהיה חלוץ המחקר של מחלות גנטיות נדירות באוכלוסיות מבודדות, אסף ופרסם ירושה מנדליאנית באדם, הקטלוג הסופי של מחלות התורשתיות שממשיך להתעדכן היום.

בעוד מדענים רבים חקרו מחלות תורשתיות, אחרים חיפשו את הבסיס הגנטי של מחלות שהופיעו באופן לא סדיר, כגון סרטן. בשנת 1976, ג'ון מייקל בישופ והרולד ורמוס הדגימו כי "אונקוגנים" הם גנים שעברו מוטציה באופן כזה שהחלבונים המקודדים שלהם רוכשים פונקציות חדשות או משופרות. מוטציות "השגה של תפקוד" אלה גורמות לעתים קרובות להתפשטות תאים בלתי מבוקרת, סימן היכר קריטי של סרטן.

באותו עשור גילה אלפרד קנודסון כי גנים אחרים, הנקראים מדכאי גידולים, תורמים לסרטן רק כאשר מוטציות בשני העותקים של הגן הובילו ל"אובדן תפקוד" של החלבון המקודד. הרעיון של קנודסון נודע כ"השערה של שני להיטים".

בשנת 1983, צעדים משמעותיים לקראת איתור גנים הגורמים למחלות נעשו כאשר ג'יימס גוזלה השתמש באופן קבוע בקטעי דנ"א מרווחים ומשתנים מאוד הנקראים פולימורפיזם באורך שבר הגבלה כדי למפות את גן מחלת הנטינגטון לכרומוזום ארבע.

כדי להקל עוד יותר על תהליך זה של מיפוי גנים, בשנת 1990 השיקה קונסורציום בינלאומי של מדענים את פרויקט הגנום האנושי כדי לרצף את כל מערך הדנ"א בבני אדם. פרויקט זה הושלם באופן משמעותי בשנת 2004.

שנה לאחר מכן, החלה הפצת נתונים מפרויקט HapMap הבינלאומי, שמטרתו ליצור מפה כלל-גנומית של גרסאות רצף בקרב אוכלוסיות אנושיות שונות. נתונים אלה מאפשרים כעת לחוקרים לבדוק קשרים בין וריאנטים גנטיים למחלות נפוצות. עם התפתחות טכנולוגיות רצף תפוקה גבוהה, מלווה בעלויות יורדות מתמיד, השימוש ברצף כדי לזהות מוטציות הגורמות למחלות בחולים הופך יותר ויותר למציאות.

לאחר סקירת כמה נקודות עיקריות היסטוריות, בואו נבחן כמה שאלות בסיסיות בגנטיקה הרפואית.

ראשית, גנטיקאים רבים רוצים לדעת אם מחלות מסוימות נשלטות על ידי גורמים גנטיים. ראשית, הם עשויים לחפש ראיות לכך שניתן לעבור בירושה את המחלה באמצעות גישות קלאסיות, כגון לימוד משפחות או אחים. מחקרים אלה הם גם חזקים כדי לקבוע אם המחלה היא monogenic או מנדליאנית, כלומר זה נגרם על ידי מוטציות בגן אחד; או רב-גורמי או מורכב, כלומר הוא נגרם על ידי גורמים גנטיים וסביבתיים מרובים.

קשה במיוחד להקניט את הגנטיקה של מחלות מורכבות, כגון פרקינסון או מחלות לב, וחוקרים רבים מנסים להשתמש במחקרים רחבי היקף באוכלוסיות כדי לזהות וריאנטים גנטיים הקשורים למחלות אלה. שני מודלים מתחרים מעצבים את האופן שבו מדענים מתמודדים עם השאלה. ההשערה "מחלה נפוצה/ גרסה נפוצה" מרמזת על מעורבות של וריאנטים גנטיים רבים הנפוצים באוכלוסייה, שלכל אחד מהם השפעה צנועה בלבד, בעוד השערת "גרסה נדירה מרובה" טוענת לחשיבות של וריאנטים נדירים יחסית עם השפעות גדולות.

לבסוף, גנטיקאים גם לחקור כיצד טכניקות גנטיות שונות ניתן להשתמש באבחון קליני. הם עשויים לבחון דרכים למזער את כמות הדנ"א של המטופל הנדרש לבדיקה, או לייעל את טיהור הדנ"א מדגימות נגישות בקלות, כגון רוק או דם, כדי להעריך גורמי סיכון למחלות.

עכשיו שאתם מכירים כמה מהשאלות המרכזיות שנשאלו על ידי גנטיקאים, בואו נסתכל על הטכניקות בהן הם משתמשים כדי למצוא תשובות.

הגנוטיפינג של פולימורפיזם נוקלאוטיד יחיד, או SNPs, היא אחת הגישות הנפוצות ביותר לזיהוי וריאציות רצף DNA באוכלוסייה. הבדלי נוקלאוטידים בודדים ניתן לזהות על ידי הכלאת שברי DNA כדי אוליגונוקלאוטידים משלימים, או על ידי שימוש אנזימי הגבלה ספציפיים מאוד לרצף כדי ליצור שברים בגודל שונה.

גנוטיפינג מבוסס ריצוף הוא גישה נפוצה נוספת למציאת מוטציות סיבתיות. שיטת סנגר הקלאסית מבוססת על שילוב של נוקלאוטידים המסומנים בשרשרת על ידי DNA פולימראז במהלך שכפול במבחנה, והיא משמשת באופן שגרתי כאשר גן מועמד ידוע.

עבור ניתוחים בקנה מידה גדול יותר, רצף הדור הבא בעל תפוקה גבוהה יכול לשמש ליצירת מספר עצום של רצפים קצרים שניתן להשוות לגנום בקרה לא מושפע כדי לזהות מוטציות הקשורות למחלות.

עבור מחלות מורכבות, מחקרי אסוציאציות כלל-גנום, או GWAS, משמשים לזיהוי SNPs עם תדרים שונים באוכלוסיות מושפעות ושליטה של נושאים שאינם קשורים. תדירות גבוהה יותר של SNP באוכלוסיות מושפעות מרמזת על קשר בין הגרסה למחלה.

לבסוף, טכניקות ציטוגנטיקה שונות יכולות לזהות וריאציות מבניות בתוך הגנום שעלולות לגרום למחלות. כרומוזומים שלמים יכולים להיות מוכתמים כדי ליצור קריוטיפ לזיהוי שינויים במבנה או במספר. לחלופין, פלואורסצנטיות בהכלאה במקום משתמשת בבדיצות אוליגונוקלאוטידים שכותרתן כדי לדמיין רצפי דנ"א ספציפיים.

עכשיו שאתם מכירים כמה שיטות המשמשות לגילוי גנים, בואו נסתכל על היישומים שלהם במחקר מחלות.

גישה אחת לזיהוי מוטציות הגורמות למחלות היא לשלב את המחקר של ייחוס משפחתי עם רצף. במחקר זה, וריאנטים גנטיים זוהו בחולי סכיזופרניה על ידי ריצוף גנים מועמדים. מוטציות אלה סווגו ספונטניות, או דה נובו, שכן הם לא עברו בירושה.

יישום נוסף כרוך בקישור וריאנטים גנטיים נדירים למחלות מורכבות באמצעות מחקרי אסוציאציה. כאן, החוקרים איחדו גנומים מכ-1,000 אנשים והשתמשו ברצף של הדור הבא כדי לזהות מוטציות ב-32 גנים הקשורים לסרטן. טכניקת הרצף המאוחסת זיהתה גרסאות נדירות ידועות וחדשות, כולל אלה שנמצאו בטכניקות דומות כמו GWAS.

לבסוף, טכנולוגיית ריצוף משמשת כעת כדי ליידע אבחנות קליניות רבות. בניסוי זה, החוקרים חילצו ורסיס DNA מגידולים. כל האקסונים לקוד חלבונים היו מבודדים אז על ידי קשירתם לאוליגונוקלאוטידים משלימים מתויגים כימית, ושימוש בחלבונים עם זיקה גבוהה לתגים כדי ללכוד ולאסוף מתחמי DNA אלה. הדנ"א שנתפס היה אז רצף והושווה לדגימות בקרה בריאה על מנת לזהות מוטציות הגורמות לסרטן.

הרגע צפית בהקדמה של ג'וב לגנים ומחלות. בסרטון זה סקרנו את ההיסטוריה של הגנטיקה הרפואית, שאלות מפתח שנשאלו על ידי גנטיקאים, אסטרטגיות מחקר בולטות וחלק מהיישומים הנוכחיים שלהם. תודה שצפיתם!