Molekulární genetika - Molecular genetics

Netechnický úvod do tématu najdete v části Úvod do genetiky .
Část série na
Genetika
Hybridogeneze ve vodních žabích gametách.svg
Klíčové komponenty
Historie a témata
Výzkum
Personalizovaná medicína

Molekulární genetika je podoblast biologie, která se zabývá tím, jak se rozdíly ve strukturách nebo expresi molekul DNA projevují jako variace mezi organismy. Molekulární genetika často používá „vyšetřovací přístup“ ke stanovení struktury a / nebo funkce genů v genomu organismu pomocí genetických vyšetření . Studijní obor je založen na sloučení několika podoborů v biologii: klasické Mendelovo dědictví , buněčná biologie , molekulární biologie , biochemie a biotechnologie . Vědci hledají mutace v genu nebo indukují mutace v genu, aby spojili genovou sekvenci se specifickým fenotypem. Molekulární genetika je účinná metodika pro spojování mutací s genetickými podmínkami, které mohou pomoci při hledání léčby / léčby různých genetických chorob.

Dějiny

Aby se molekulární genetika mohla rozvíjet jako disciplína, bylo zapotřebí několik vědeckých objevů. Objev DNA jako prostředku k přenosu genetického kódu života z jedné buňky do druhé a mezi generacemi byl zásadní pro identifikaci molekuly odpovědné za dědičnost.  Watson a Crick (ve spojení s Franklinem a Wilkinsem ) zjistili strukturu DNA, základní kámen molekulární genetiky. Izolace restrikční endonukleázy v E. coli Arberem a Linnem v roce 1969 otevřela pole genetického inženýrství . K linearizaci DNA pro separaci elektroforézou byly použity restrikční enzymy a Southern blot umožnil identifikaci specifických segmentů DNA pomocí hybridizačních sond . V roce 1971 Berg použil restrikční enzymy k vytvoření první molekuly rekombinantní DNA a prvního plazmidu rekombinantní DNA . V roce 1972 vytvořili Cohen a Boyer první rekombinantní DNA organismus vložením rekombinantních DNA plazmidů do E. coli , nyní známé jako bakteriální transformace , a připravili cestu pro molekulární klonování. Vývoj technik sekvenování DNA na konci 70. let, nejprve Maxamem a Gilbertem a poté Frederickem Sangerem , byl stěžejní pro molekulárně genetický výzkum a umožnil vědcům zahájit provádění genetických screeningů, které by vztahovaly genotypové sekvence k fenotypům . Polymerázová řetězová reakce (PCR) pomocí Taq polymerázy, kterou vynalezl Mullis v roce 1985, umožnila vědcům vytvořit miliony kopií specifické sekvence DNA, které by mohly být použity pro transformaci nebo manipulaci pomocí separace na agarózovém gelu . O deset let později byl sekvenován první celý genom ( Haemophilus influenzae ), následovaný případným sekvenováním lidského genomu prostřednictvím projektu Human Genome Project v roce 2001. Vyvrcholením všech těchto objevů byla nová oblast zvaná genomika, která spojuje molekulární strukturu genu na protein nebo RNA kódovanou tímto segmentem DNA a funkční expresi tohoto proteinu v organismu. Dnes se pomocí molekulárně genetických technik studuje genomika u mnoha modelových organismů a data se shromažďují v počítačových databázích, jako jsou NCBI a Ensembl . Počítačová analýza a srovnání genů uvnitř a mezi různými druhy se nazývá bioinformatika a spojuje genetické mutace v evolučním měřítku.

Centrální dogma

Tento obrázek ukazuje příklad centrálního dogmatu využívajícího řetězec DNA, který se přepisuje, poté překládá, a ukazuje důležité enzymy použité v procesech

Tento obrázek ukazuje příklad centrálního dogmatu využívajícího řetězec DNA, který se přepisuje, poté překládá, a ukazuje důležité enzymy použité v procesech

Centrální dogma je základem všech genetiky a hraje klíčovou roli při studiu molekulární genetiky. Centrální dogma uvádí, že DNA se replikuje, DNA se přepisuje do RNA a RNA se překládá do proteinů. Spolu s centrálním dogmatem se genetický kód používá k pochopení toho, jak se RNA překládá na proteiny. Replikace DNA a transkripce z DNA na mRNA probíhá v mitochondriích, zatímco translace z RNA na proteiny probíhá v ribozomu . Genetický kód je tvořen čtyřmi páry bází: adenin, cytosin, uracil a guanin a je nadbytečný, což znamená, že více kombinací těchto párů bází (které se čtou trojmo) produkuje stejnou aminokyselinu. Proteomika a genomika jsou biologická pole, která vycházejí ze studia molekulární genetiky a centrálního dogmatu.

Techniky

Dopředu genetika

Forward genetics je technika molekulární genetiky používaná k identifikaci genů nebo genetických mutací, které produkují určitý fenotyp . V genetickém screeningu jsou generovány náhodné mutace s mutageny (chemikálie nebo záření) nebo transpozony a jednotlivci jsou vyšetřováni na specifický fenotyp. Sekundární test ve formě selekce může často následovat po mutagenezi, kde je obtížné pozorovat požadovaný fenotyp, například v bakteriích nebo buněčných kulturách. Buňky mohou být transformovány pomocí genu pro rezistenci na antibiotikum nebo fluorescenčního reportéru, takže mutanty s požadovaným fenotypem jsou vybrány z nemutantů.

Mutanti vykazující požadovaný fenotyp jsou izolováni a může být proveden test komplementace ke stanovení, zda je fenotyp výsledkem více než jednoho genu. Mutantní geny jsou poté charakterizovány jako dominantní (vedoucí k získání funkce), recesivní (vykazující ztrátu funkce) nebo epistatické (mutovaný gen maskuje fenotyp jiného genu). Nakonec je lokalizace a specifická povaha mutace mapována pomocí sekvenování . Forwardová genetika je nezaujatý přístup a často vede k mnoha neočekávaným objevům, ale může být nákladná a časově náročná. Modelové organismy jako červ hlístice Caenorhabditis elegans , ovocná muška Drosophila melanogaster a zebrafish Danio rerio byly úspěšně použity ke studiu fenotypů, které jsou výsledkem genových mutací.

Příklad dopředné genetiky u C. elegans (hlístice) pomocí mutageneze.

Reverzní genetika

Schéma ilustrující proces vývoje vakcíny proti ptačí chřipce technikami reverzní genetiky

Reverzní genetika je termín pro techniky molekulární genetiky používané ke stanovení fenotypu vyplývajícího ze záměrné mutace v požadovaném genu. Fenotyp se používá k odvození funkce nemutované verze genu. Mutace mohou být náhodné nebo úmyslné změny sledovaného genu. Mutací může být mutace nesprávného smyslu způsobená nukleotidovou substitucí, přidáním nebo delecí nukleotidů k ​​vyvolání mutace posunu rámců nebo úplným přidáním / delecí genu nebo genového segmentu. Delece konkrétního genu vytvoří genový knockout, kde gen není exprimován a dojde ke ztrátě funkce (např. Knockoutované myši ). Mutace nesprávného vnímání mohou způsobit úplnou ztrátu funkce nebo vést k částečné ztrátě funkce, známé jako knockdown. Knockdownu lze dosáhnout také interferencí RNA (RNAi). Alternativně mohou být geny substituovány do genomu organismu (také známého jako transgen ), aby se vytvořil genový knock-in a mělo za následek získání funkce hostitelem. Ačkoli tyto techniky mají určité inherentní zkreslení týkající se rozhodnutí spojit fenotyp s konkrétní funkcí, je to mnohem rychlejší z hlediska produkce než dopředná genetika, protože požadovaný gen je již znám.

Viz také

Zdroje a poznámky

Další čtení

externí odkazy