Молекулалық генетика: Женетиканың молекулалық деңгейдегі зерттеуіне кіріспе

Кіріспе

Молекулалық генетика – гендерді молекулалық деңгейде зерттейтін биология саласы. Бұл тақырыпқа арналған техникалық емес кіріспе.

Молекулалық генетика – ДНК молекулаларының құрылымындағы немесе экспрессиясындағы айырмашылықтар организмдер арасындағы вариация ретінде қалай көрінетінін зерттейтін биологияның бір саласы. Молекулалық генетика көбінесе организмнің геномындағы гендердің құрылымын және/немесе функциясын анықтау үшін генетикалық скринингтерді қолдана отырып, "зерттеу тәсілін" пайдаланады. Бұл зерттеу саласы биологияның бірнеше кіші салаларының бірігуіне негізделген: классикалық мендельдік мұрагерлік, жасушалық биология, молекулалық биология, биохимия және биотехнология. Ол осы пәндерді біріктіре отырып, генетикалық мұрагерлік, гендерді реттеу және экспрессия, сондай-ақ түрлі тіршілік процестерінің молекулалық механизмдері сияқты мәселелерді зерттейді. Сондықтан молекулалық генетика – әртүрлі генетикалық ауруларды емдеуді іздеуге көмектесетін мутацияларды генетикалық жағдайлармен байланыстыратын қуатты методология.

Тарих

The discovery of DNA as the blueprint for life and breakthroughs in molecular genetics research came from the combined works of many scientists. In 1869, chemist Johann Friedrich Miescher, who was researching the composition of white blood cells, discovered and isolated a new molecule that he named nuclein from the cell nucleus, which would ultimately be the first discovery of the molecule DNA that was later determined to be the molecular basis of life. He determined it was composed of hydrogen, oxygen, nitrogen and phosphorus. Biochemist Albrecht Kossel identified nuclein as a nucleic acid and provided its name deoxyribonucleic acid (DNA). He continued to build on that by isolating the basic building blocks of DNA and RNA; made up of the nucleotides: adenine, guanine, thymine, cytosine, and uracil. His work on nucleotides earned him a Nobel Prize in Physiology. In the early 1900s, Gregor Mendel, who became known as one of the fathers of genetics, made great contributions to the field of genetics through his various experiments with pea plants where he was able to discover the principles of inheritance such as recessive and dominant traits, without knowing what genes were composed of. In the mid 19th century, anatomist Walther Flemming, discovered what we now know as chromosomes and the separation process they undergo through mitosis. His work along with Theodor Boveri first came up with the Chromosomal Theory of Inheritance, which helped explain some of the patterns Mendel had observed much earlier. For molecular genetics to develop as a discipline, several scientific discoveries were necessary. The discovery of DNA as a means to transfer the genetic code of life from one cell to another and between generations was essential for identifying the molecule responsible for heredity. Molecular genetics arose initially from studies involving genetic transformation in bacteria. In 1944 Avery, McLeod and McCarthy isolated DNA from a virulent strain of S. pneumoniae, and using just this DNA were able to convert a harmless strain to virulence. They called the uptake, incorporation and expression of DNA by bacteria "transformation". This finding suggested that DNA is the genetic material of bacteria. Bacterial transformation is often induced by conditions of stress, and the function of transformation appears to be repair of genomic damage. These rules, known as Chargaff's rules, helped to understand molecular genetics. The phage group was an informal network of biologists centered on Max Delbrück that contributed substantially to molecular genetics and the origins of molecular biology during the period from about 1945 to 1970. The phage group took its name from bacteriophages, the bacteria infecting viruses that the group used as experimental model organisms. Studies by molecular geneticists affiliated with this group contributed to understanding how gene encoded proteins function in DNA replication, DNA repair and DNA recombination, and on how viruses are assembled from protein and nucleic acid components (molecular morphogenesis). Furthermore, the role of chain terminating codons was elucidated. One noteworthy study was performed by Sydney Brenner and collaborators using "amber" mutants defective in the gene encoding the major head protein of bacteriophage T4. This study demonstrated the co-linearity of the gene with its encoded polypeptide, thus providing strong evidence for the "sequence hypothesis" that the amino acid sequence of a protein is specified by the nucleotide sequence of the gene determining the protein. The isolation of a restriction endonuclease in E. coli by Arber and Linn in 1969 opened the field of genetic engineering. Restriction enzymes were used to linearize DNA for separation by electrophoresis and Southern blotting allowed for the identification of specific DNA segments via hybridization probes. In 1971, Berg utilized restriction enzymes to create the first recombinant DNA molecule and first recombinant DNA plasmid. In 1972, Cohen and Boyer created the first recombinant DNA organism by inserting recombinant DNA plasmids into E. coli, now known as bacterial transformation, and paved the way for molecular cloning. The development of DNA sequencing techniques in the late 1970s, first by Maxam and Gilbert, and then by Frederick Sanger, was pivotal to molecular genetic research and enabled scientists to begin conducting genetic screens to relate genotypic sequences to phenotypes. Polymerase chain reaction (PCR) using Taq polymerase, invented by Mullis in 1985, enabled scientists to create millions of copies of a specific DNA sequence that could be used for transformation or manipulated using agarose gel separation. A decade later, the first whole genome was sequenced (Haemophilus influenzae), followed by the eventual sequencing of the human genome via the Human Genome Project in 2001. The culmination of all of those discoveries was a new field called genomics that links the molecular structure of a gene to the protein or RNA encoded by that segment of DNA and the functional expression of that protein within an organism. Today, through the application of molecular genetic techniques, genomics is being studied in many model organisms and data is being collected in computer databases like NCBI and Ensembl. The computer analysis and comparison of genes within and between different species is called bioinformatics, and links genetic mutations on an evolutionary scale.

The discovery of DNA as the blueprint for life and breakthroughs in molecular genetics research came from the combined works of many scientists. In 1869, chemist Johann Friedrich Miescher, who was researching the composition of white blood cells, discovered and isolated a new molecule that he named nuclein from the cell nucleus, which would ultimately be the first discovery of the molecule DNA that was later determined to be the molecular basis of life. He determined it was composed of hydrogen, oxygen, nitrogen and phosphorus. Biochemist Albrecht Kosell identified nuclein as a nucleic acid and provided its name deoxyribonucleic acid (DNA). He continued to build on that by isolating the basic building blocks of DNA and RNA; made up of the nucleotides: adenine, guanine, thymine, cytosine. and uracil. His work on nucleotides earned him a Nobel Prize in Physiology. In the early 1900s, Gregor Mendel, who became known as one of the fathers of genetics, made great contributions to the field of genetics through his various experiments with pea plants where he was able to discover the principles of inheritance such as recessive and dominant traits, without knowing what genes where composed of. In the mid 19th century, anatomist Walther Flemming, discovered what we now know as chromosomes and the separation process they undergo through mitosis. His work along with Theodor Boveri first came up with the Chromosomal Theory of Inheritance, which helped explain some of the patterns Mendel had observed much earlier. For molecular genetics to develop as a discipline, several scientific discoveries were necessary. The discovery of DNA as a means to transfer the genetic code of life from one cell to another and between generations was essential for identifying the molecule responsible for heredity. Molecular genetics arose initially from studies involving genetic transformation in bacteria. In 1944 Avery, McLeod and McCarthy isolated DNA from a virulent strain of S. pneumoniae, and using just this DNA were able to convert a harmless strain to virulence. They called the uptake, incorporation and expression of DNA by bacteria "transformation". This finding suggested that DNA is the genetic material of bacteria. Bacterial transformation is often induced by conditions of stress, and the function of transformation appears to be repair of genomic damage. These rules, known as Chargaff's rules, helped to understand of molecular genetics. The phage group was an informal network of biologists centered on Max Delbrück that contributed substantially to molecular genetics and the origins of molecular biology during the period from about 1945 to 1970. The phage group took its name from bacteriophages, the bacteria infecting viruses that the group used as experimental model organisms. Studies by molecular geneticists affiliated with this group contributed to understanding how gene encoded proteins function in DNA replication, DNA repair and DNA recombination, and on how viruses are assembled from protein and nucleic acid components (molecular morphogenesis). Furthermore, the role of chain terminating codons was elucidated. One noteworthy study was performed by Sydney Brenner and collaborators using "amber" mutants defective in the gene encoding the major head protein of bacteriophage T4. This study demonstrated the co linearity of the gene with its encoded polypeptide, thus providing strong evidence for the "sequence hypothesis" that the amino acid sequence of a protein is specified by the nucleotide sequence of the gene determining the protein. The isolation of a restriction endonuclease in E. coli by Arber and Linn in 1969 opened the field of genetic engineering. Restriction enzymes were used to linearize DNA for separation by electrophoresis and Southern blotting allowed for the identification of specific DNA segments via hybridization probes. In 1971, Berg utilized restriction enzymes to create the first recombinant DNA molecule and first recombinant DNA plasmid. In 1972, Cohen and Boyer created the first recombinant DNA organism by inserting recombinant DNA plasmids into E. coli, now known as bacterial transformation, and paved the way for molecular cloning. The development of DNA sequencing techniques in the late 1970s, first by Maxam and Gilbert, and then by Frederick Sanger, was pivotal to molecular genetic research and enabled scientists to begin conducting genetic screens to relate genotypic sequences to phenotypes. Polymerase chain reaction (PCR) using Taq polymerase, invented by Mullis in 1985, enabled scientists to create millions of copies of a specific DNA sequence that could be used for transformation or manipulated using agarose gel separation. A decade later, the first whole genome was sequenced (Haemophilus influenzae), followed by the eventual sequencing of the human genome via the Human Genome Project in 2001. The culmination of all of those discoveries was a new field called genomics that links the molecular structure of a gene to the protein or RNA encoded by that segment of DNA and the functional expression of that protein within an organism. Today, through the application of molecular genetic techniques, genomics is being studied in many model organisms and data is being collected in computer databases like NCBI and Ensembl. The computer analysis and comparison of genes within and between different species is called bioinformatics, and links genetic mutations on an evolutionary scale.

Өмірдің негізі ретінде ДНҚ-ның табылуы және молекулалық генетиканы зерттеудегі жаңалықтар көптеген ғалымдардың бірлескен еңбегінің нәтижесінде болды. 1869 жылы ақ қан жасушаларының құрамын зерттеген химик Иоганн Фридрих Мишер жасуша ядросынан нуклеин деп аталатын жаңа молекуланы тапты және оқшаулады. Бұл кейіннен өмірдің молекулалық негізі болып анықталған ДНҚ молекуласының алғашқы ашылуы болды. Ол оның сутектен, оттегіден, азоттан және фосфордан тұратынын анықтады. Биохимик Альбрехт Коссель нуклеинды нуклеин қышқылы деп анықтап, оған дезоксирибонуклеин қышқылы (ДНҚ) деген атау берді. Ол ДНҚ мен РНҚ-ның негізгі құрылыс блоктарын бөліп шығарды, олар нуклеотидтерден тұрады: аденин, гуанин, тимин, цитозин және урацил. Нуклеотидтердегі еңбегі үшін физиология саласындағы Нобель сыйлығына ие болды. 1900 жылдардың басында генетиканың негізін қалаушылардың бірі ретінде танылған Грегор Мендель, бұршақ өсімдіктерімен жүргізген түрлі эксперименттері арқылы тұқым қуалау принциптерін, мысалы, рецессивті және доминантты белгілерді ашты, гендер неден тұратынын білмей. XIX ғасырдың ортасында анатомист Уолтер Флеминг қазіргі кезде хромосомалар деп аталатын және митоз арқылы бөлінетін процестерді анықтады. Теодор Боверимен бірлескен еңбегі алғаш рет хромосомалық тұқым қуалау теориясын ұсынды, бұл Мендельдің бұрын байқаған кейбір үлгілерін түсіндіруге көмектесті. Молекулалық генетиканың ғылым саласы ретінде дамуы үшін бірнеше ғылыми жаңалықтар қажет болды. ДНҚ-ның өмірдің генетикалық кодын бір жасушадан екіншісіне және ұрпақтар арасында беру құралы ретінде табылуы тұқым қуалауға жауапты молекуланы анықтау үшін маңызды болды. Молекулалық генетика бастапқыда бактериялардағы генетикалық трансформацияны зерттеуден пайда болды. 1944 жылы Эйвери, МакЛеод және Маккарти S. pneumoniae вирулентті штаммының ДНҚ-сын оқшаулады және осы ДНҚ-ны пайдалану арқылы зиянсыз штаммды вируленттілікке айналдыра алды. Олар бактериялардың ДНҚ-ны қабылдауы, қосылуы және экспрессиялауын "трансформация" деп атады. Бұл зерттеулер ДНҚ бактериялардың генетикалық материалы екенін көрсетті. Бактериялық трансформация көбінесе стресс жағдайларында пайда болады, ал трансформацияның функциясы геномдық зақымдануды жөндеу болып көрінеді. Шаргаффтың ережелері деп аталатын бұл ережелер молекулалық генетиканы түсінуге көмектесті. Фаг тобы - Макс Дельбрюкке негізделген биологтардың бейресми желісі, ол 1945-1970 жылдар аралығында молекулалық генетикаға және молекулалық биологияның пайда болуына үлкен үлес қосты. Фаг тобы өз атауын бактериофагтардан алды, бұл бактерияларды жұқтыратын вирустар, оларды топ эксперименттік модельді организмдер ретінде пайдаланды. Бұл топқа мүше молекулалық генетиктердің зерттеулері ген кодталған белоктардың ДНҚ репликациясында, ДНҚ жөндеуде және ДНҚ рекомбинациясында қалай жұмыс істейтінін, сондай-ақ вирустардың белок және нуклеин қышқылы компоненттерінен қалай құралатынын (молекулалық морфогенез) түсінуге көмектесті. Сонымен қатар, тізбекті аяқтау кодондарының рөлі анықталды. Бір ерекше зерттеуді Сидни Бреннер және оның әріптестері бактериофаг Т4 басты белгісінің генінде ақауы бар "мұрт" мутанттарын пайдаланып жүргізді. Бұл зерттеу геннің кодталған полипептидімен бірге сызықтылығын көрсетті, осылайша "тізбек гипотезасына" мықты дәлел келтірді, яғни ақуыздың амин қышқылдары тізбегі ақуызды анықтайтын геннің нуклеотидтік тізбегімен анықталады. 1969 жылы Арбер мен Линннің E. coli-де шектеу эндонуклеазасын оқшаулауы гендік инженерияның саласын ашты. Электрофорез арқылы бөлу үшін ДНҚ-ны сызықтық ету үшін шектеу ферменттері қолданылды, ал оңтүстік блоктау гибридтеу зондтары арқылы белгілі бір ДНҚ сегменттерін анықтауға мүмкіндік берді. 1971 жылы Берг рестрикциялық ферменттерді пайдаланып, алғашқы рекомбинантты ДНҚ молекуласын және алғашқы рекомбинантты ДНҚ плазмидін жасады. 1972 жылы Коэн мен Бойер E. coli бактериясына рекомбинантты ДНҚ плазмидтерін енгізу арқылы алғашқы рекомбинантты ДНҚ организмін жасады, бұл қазір бактериялық трансформация деп аталады және молекулалық клондауға жол ашты. 1970-ші жылдардың аяғында Максам және Гилберт, содан кейін Фредерик Сангер ДНҚ-ны тізбектеу әдістерін әзірлеу молекулалық генетикалық зерттеулерге маңызды болды және ғалымдарға генотиптік тізбектерді фенотиптерге байланыстыратын генетикалық скрининг жүргізуге мүмкіндік берді. 1985 жылы Маллис ойлап тапқан Taq полимеразаны пайдалану арқылы полимераза тізбектік реакциясы (ПТР) ғалымдарға трансформация үшін пайдаланылатын немесе агароздық гельді бөлу арқылы өңделетін белгілі бір ДНҚ тізбегінің миллиондаған көшірмелерін жасауға мүмкіндік берді. Он жылдан кейін алғашқы геном (Haemophilus influenzae) тізбектелді, содан кейін 2001 жылы Адам геном жобасы арқылы адам геномы тізбектелді. Барлық осы жаңалықтардың нәтижесінде геномдық деп аталатын жаңа сала пайда болды, ол геннің молекулалық құрылымын ДНҚ сегментімен кодталған белок немесе РНҚ және ағза ішіндегі осы белоктың функционалдық экспрессиясымен байланыстырады. Бүгінде молекулалық генетикалық техникаларды қолдану арқылы геномика көптеген модельді организмдерде зерттеледі және деректер NCBI және Ensembl сияқты компьютерлік дерекқорларда жинақталады. Гендердің түрлер ішінде және түрлер арасында компьютерлік талдауы мен салыстыруы биоинформатика деп аталады және генетикалық мутацияларды эволюциялық масштабта байланыстырады.

The discovery of DNA as the blueprint for life and breakthroughs in molecular genetics research came from the combined works of many scientists. In 1869, chemist Johann Friedrich Miescher, who was researching the composition of white blood cells, discovered and isolated a new molecule that he named nuclein from the cell nucleus, which would ultimately be the first discovery of the molecule DNA that was later determined to be the molecular basis of life. He determined it was composed of hydrogen, oxygen, nitrogen and phosphorus. Biochemist Albrecht Kosell identified nuclein as a nucleic acid and provided its name deoxyribonucleic acid (DNA). He continued to build on that by isolating the basic building blocks of DNA and RNA; made up of the nucleotides: adenine, guanine, thymine, cytosine. and uracil. His work on nucleotides earned him a Nobel Prize in Physiology. In the early 1900s, Gregor Mendel, who became known as one of the fathers of genetics, made great contributions to the field of genetics through his various experiments with pea plants where he was able to discover the principles of inheritance such as recessive and dominant traits, without knowing what genes where composed of. In the mid 19th century, anatomist Walther Flemming, discovered what we now know as chromosomes and the separation process they undergo through mitosis. His work along with Theodor Boveri first came up with the Chromosomal Theory of Inheritance, which helped explain some of the patterns Mendel had observed much earlier. For molecular genetics to develop as a discipline, several scientific discoveries were necessary. The discovery of DNA as a means to transfer the genetic code of life from one cell to another and between generations was essential for identifying the molecule responsible for heredity. Molecular genetics arose initially from studies involving genetic transformation in bacteria. In 1944 Avery, McLeod and McCarthy isolated DNA from a virulent strain of S. pneumoniae, and using just this DNA were able to convert a harmless strain to virulence. They called the uptake, incorporation and expression of DNA by bacteria "transformation". This finding suggested that DNA is the genetic material of bacteria. Bacterial transformation is often induced by conditions of stress, and the function of transformation appears to be repair of genomic damage. These rules, known as Chargaff's rules, helped to understand of molecular genetics. The phage group was an informal network of biologists centered on Max Delbrück that contributed substantially to molecular genetics and the origins of molecular biology during the period from about 1945 to 1970. The phage group took its name from bacteriophages, the bacteria infecting viruses that the group used as experimental model organisms. Studies by molecular geneticists affiliated with this group contributed to understanding how gene encoded proteins function in DNA replication, DNA repair and DNA recombination, and on how viruses are assembled from protein and nucleic acid components (molecular morphogenesis). Furthermore, the role of chain terminating codons was elucidated. One noteworthy study was performed by Sydney Brenner and collaborators using "amber" mutants defective in the gene encoding the major head protein of bacteriophage T4. This study demonstrated the co linearity of the gene with its encoded polypeptide, thus providing strong evidence for the "sequence hypothesis" that the amino acid sequence of a protein is specified by the nucleotide sequence of the gene determining the protein. The isolation of a restriction endonuclease in E. coli by Arber and Linn in 1969 opened the field of genetic engineering. Restriction enzymes were used to linearize DNA for separation by electrophoresis and Southern blotting allowed for the identification of specific DNA segments via hybridization probes. In 1971, Berg utilized restriction enzymes to create the first recombinant DNA molecule and first recombinant DNA plasmid. In 1972, Cohen and Boyer created the first recombinant DNA organism by inserting recombinant DNA plasmids into E. coli, now known as bacterial transformation, and paved the way for molecular cloning. The development of DNA sequencing techniques in the late 1970s, first by Maxam and Gilbert, and then by Frederick Sanger, was pivotal to molecular genetic research and enabled scientists to begin conducting genetic screens to relate genotypic sequences to phenotypes. Polymerase chain reaction (PCR) using Taq polymerase, invented by Mullis in 1985, enabled scientists to create millions of copies of a specific DNA sequence that could be used for transformation or manipulated using agarose gel separation. A decade later, the first whole genome was sequenced (Haemophilus influenzae), followed by the eventual sequencing of the human genome via the Human Genome Project in 2001. The culmination of all of those discoveries was a new field called genomics that links the molecular structure of a gene to the protein or RNA encoded by that segment of DNA and the functional expression of that protein within an organism. Today, through the application of molecular genetic techniques, genomics is being studied in many model organisms and data is being collected in computer databases like NCBI and Ensembl. The computer analysis and comparison of genes within and between different species is called bioinformatics, and links genetic mutations on an evolutionary scale.

ДНҚ құрылымы

Организмнің геномын оның барлық ДНК-сы құрайды және ол генетикалық белгілері, функциясы және дамуы үшін жауапты. ДНК-ның құрамы молекулалық генетика саласының маңызды бөлігі болып табылады; ол ДНК-ның генетикалық ақпаратты қалай сақтай алатыны, оны қалай жеткізе алатыны және оқылып, аударылатын форматта болатынының негізін құрайды. ДНК – екі тізбекті молекула, мұнда әр тізбек антипараллель бағытта орналасқан. Нуклеотидтер ДНК-ның құрылыс блоктары болып табылады, олардың әрқайсысы қант молекуласынан, фосфат тобынан және төрт азотты негіздің бірінен – аденин, гуанин, цитозин және тиминнен тұрады. ДНК-ның бір тізбегі ковалентті байланыстармен ұсталынады, ал екі антипараллель тізбек нуклеотидтік негіздер арасындағы сутекті байланыстармен ұсталынады. Аденин тиминмен, ал цитозин гуанинпен байланысады. Дәл осы төрт негіздік тізбектер барлық тірі организмдердің генетикалық кодын құрайды және организм синтездеуге қабілетті барлық ақуыздар туралы ақпаратты қамтиды. Оның ерекше құрылымы ДНК-ға жасуша бөліну кезінде биологиялық ақпаратты ұрпақтан-ұрпаққа сақтауға және жеткізуге мүмкіндік береді. Жасушалар бөлінгенде геномды көшіріп, оны жаңа жасушаларға жеткізе алуы керек. Бұл ДНК-ның екі тізбекті құрылымының арқасында мүмкін болады, себебі бір тізбек өзінің жұптас тізбегіне толықтырылады, сондықтан осы тізбектердің әрқайсысы жаңа толықтырылған тізбектің қалыптасуына үлгі ретінде қызмет ете алады. ДНК репликациясы процесінің жартылай консервативті процесс деп аталуының себебі осы.

Алға генетика

Форвард генетикасы – белгілі бір фенотипті тудыратын гендерді немесе генетикалық мутацияларды анықтау үшін қолданылатын молекулалық генетика әдісі. Генетикалық скринингте мутагендер (химиялық заттар немесе сәулелену) немесе транспозондар арқылы кездейсоқ мутациялар жасалады және жеке организмдер белгілі бір фенотип бойынша тексеріледі. Көбінесе, қажетті фенотипті байқау қиын болған жағдайда, мысалы бактерияларда немесе жасуша мәдениеттерінде, мутагенезден кейін селекция түріндегі қосымша талдау жүргізілуі мүмкін. Жасушалар антибиотикке төзімділік гені немесе флуоресценттік репортерді пайдалану арқылы түрлендірілуі мүмкін, соның нәтижесінде қажетті фенотипті мутанттар мутант емес организмдерден бөліп алынады. Қызығушылық тудыратын фенотипті көрсететін мутанттар оқшауланады және фенотип бірнеше геннің нәтижесі ме екенін анықтау үшін комплементациялық тест жүргізілуі мүмкін. Содан кейін мутант гендер доминантты (функцияның күшеюіне әкеледі), рецессивті (функцияның жоғалуын көрсетеді) немесе эпистатикалық (мутант ген басқа геннің фенотипін жасырады) деп сипатталады. Ақырында, мутацияның орналасуы және нақты сипаты секвенциялау арқылы анықталады. Форвард генетика – бұл бейтарап тәсіл және көбінесе көптеген күтпеген жаңалықтарға әкеледі, бірақ қымбатқа соғып, көп уақытты алуы мүмкін. Нематода құрты Caenorhabditis elegans, жеміс шыбығы Drosophila melanogaster және зебра балығы Danio rerio сияқты модельді организмдер гендік мутациялардан туындаған фенотиптерді зерттеуде сәтті қолданылған.

Кері генетика

Кері генетика – қызығушылық тудыратын генге қасақана мутация енгізу арқылы туындаған фенотипті анықтауға қолданылатын молекулалық генетика әдістері. Фенотип геннің өзгесіз нұсқасының қызметін анықтау үшін пайдаланылады. Мутациялар қызығушылық тудыратын генге кездейсоқ немесе қасақана өзгерістер болуы мүмкін. Мутациялар нуклеотидтердің орнын ауыстырудан туындаған қате мағыналы мутация, фреймшифт мутациясын тудыратын нуклеотидтің қосылуы немесе жойылуы, немесе геннің немесе ген сегментінің толық қосылуы/жойылуы болуы мүмкін. Белгілі бір геннің жойылуы геннің экспрессияланбауына және функцияның жоғалуына алып келеді (мысалы, нокаут егешқұйрықтары). Қате мағыналы мутациялар функцияның толық немесе ішінара жоғалуына әкелуі мүмкін, мұны нокдаун деп атайды. РНК-интерференциясы (РНКИ) арқылы да нокдаунға қол жеткізуге болады. Балама ретінде, гендер организмнің геномына (трансген деп те аталады) енгізіліп, геннің қосылуын (нокаут-ин) жасауға және қабылдаушы организмде функцияның күшеюіне әкелуі мүмкін. Бұл әдістер фенотипті нақты функциямен байланыстыруда белгілі бір шектеулерге ие болғанымен, қызығушылық тудыратын ген бұрыннан белгілі болғандықтан, олар алдыңғы генетикаға қарағанда өндіріс жағынан әлдеқайда жылдам.

Молекулалық генетикалық құралдар

Молекулалық генетика – генетиканың негіздерін пайдаланып, аурудың молекулалық себептерін және организмдердегі биологиялық процестерді жақсырақ түсінуге бағытталған ғылыми тәсіл. Осы саладағы зерттеушілер жиі қолданатын бірнеше құралдар төменде келтірілген.

Микроспутниктер

Микросателлиттер немесе бір реттік қайталанулар (SSRS) – геномдағы белгілі бір локуста 6 нуклеотидке дейін қайталалатын, генетикалық маркер ретінде қолданылатын ДНК-ның қысқа сегменттері. Зерттеушілер ДНК сақнақ іздері және әкелік анықтамасы сияқты әдістер арқылы осы микросателлиттерді талдай алады, себебі бұл қайталанулар жеке адамдар мен отбасылар үшін өте ерекше. Сонымен қатар, олар генетикалық карталар құруға және белгілі бір белгіге немесе ауруға жауапты генді немесе мутацияны анықтау үшін генетикалық байланысты зерттеуге қолданылуы мүмкін. Микросателлиттер популяциялық генетикада топтар арасындағы салыстыруларды зерттеу үшін де пайдаланылады.

Геномдық кең ассоциация зерттеулері

Геномдық ауқымды қатынас зерттеулері (GWAS) – белгілі бір аурумен байланысты болуы мүмкін популяциялардағы генетикалық вариацияларды зерттеу үшін жалғыз нуклеотидтік полиморфизмдерге (СНП) негізделген әдіс. Адам геномы жобасы адам геномын толығымен картаға түсіріп, осы тәсілді зерттеушілер үшін қолжетімді және тиімді етті. GWAS жүргізу үшін зерттеушілер екі топты пайдаланады: біреуі зерттеліп жатқан ауруға шалдыққандар тобы, екіншісі – сол аурудан сау бақылау тобы. Қатысушылардан ДНК үлгілері алынады, олардың геномдары зертханалық жабдықтар арқылы анықталып, қатысушыларды салыстыру және аурумен байланысты болуы мүмкін СНП-ні іздеу үшін жылдам қарастырылады. Бұл әдіс зерттеушілерге адам геномындағы қызығушылық тудыратын гендер мен локацияларды анықтауға мүмкіндік береді, одан кейін олар аурудың себептерін анықтау үшін оларды одан әрі зерттей алады.

Кариотиптеу

Кариотиптеу зерттеушілерге митоздың метафаза кезеңінде хромосомаларды конденсирленген күйде талдауға мүмкіндік береді. Хромосомалар боялады және микроскоп арқылы қарастырылып, кез келген хромосомалық аномалиялар анықталады. Бұл техника Даун синдромы сияқты туа біткен генетикалық ауруларды анықтау, эмбриондардың жынысын анықтау және хромосомалық мутациялар, мысалы, транслокациялар салдарынан туындаған кейбір қатерлі ісіктерді диагностикалау үшін қолданылуы мүмкін.

Генетикалық инженерия

Генетикалық инженерия – ғылымның дамып келе жатқан саласы. Зерттеушілер молекулалық генетикалық технологияны қолданып, организмдердің ДНК-сын өзгерте алады және өнеркәсіптік, ауыл шаруашылығы және медициналық мақсаттар үшін генетикалық түрлендірілген және жақсартылған организмдерді құрай алады. Бұл геномдық өңдеу техникалары арқылы іске асырылады, ол ДНК тізбегіндегі негіздердің жұптасуын өзгертуді, немесе ДНК-ның белгілі бір бөліктерін қосу және жоюды қамтиды.

Гендік өңдеу

Гендік редакциялау ғалымдарға организмнің ДНК-сын өзгертуге мүмкіндік береді. Мұны іске асырудың бір жолы – Crispr/Cas9 техникасы, ол бактерияларда табиғи түрде кездесетін геномдық иммундық қорғаныстан бейімделген. Бұл техника Cas9 протеиніне негізделген, ол ғалымдарға ДНК тізбектерін нақты бір жерде кесуге мүмкіндік береді, ал кесудің геномда дұрыс жерде жасалғанын қамтамасыз ету үшін арнайы РНК-ның бағыттаушы тізбегі қолданылады. Содан кейін ғалымдар геномда өзгерістерді тудыру үшін ДНК-ның жөндеу механизмдерін пайдаланады; бұл техника ауруларды емдеуде кең мүмкіндіктер береді.

Жекешелендірілген медицина

Молекулалық генетика медицинаның дамуына зор әсер етеді және аурудың молекулалық негізін түсіну, оны диагностикалау мен емдеудің тиімділігін арттыруға мүмкіндік береді. Бұл саланың мақсаттарының бірі – жеке медицина, онда әр адамның генетикасы аурудың себебін анықтауға және сол ауруға қатысты емді жекелеген ерекшеліктеріне сәйкес таңдауға көмектеседі, соның арқасында емдеудің тиімділігі арта түседі. Мысалы, кейбір адамдардағы генетикалық өзгерістер оларды белгілі бір дәріге жақсырақ сезінуіне мүмкіндік береді, ал басқаларында емдеуге байланысты қолайсыз реакциялар туу қаупі жоғары болуы мүмкін. Осы ақпарат зерттеушілер мен клиникалық мамандарға пациенттер үшін емнің тиімділігі туралы ең дұрыс шешімдер қабылдауға, стандартты тәжірибе-қате әдісінен ауытқуға көмектеседі.

Сот генетикасы

Сот генетикасы әр түрлі молекулалық генетикалық техникаларды қолдану арқылы қылмыстық тергеулерде маңызды рөл атқарады. Ең көп қолданылатын техникалардың бірі – ДНК саусақ іздерін анықтау, ол полимераза тізбектік реакция (ПТР) және гельдік электрофорез сияқты молекулалық генетикалық техникалардың комбинациясын пайдалана отырып жүзеге асырылады. ПТР – бұл мақсатты ДНК тізбегін күшейтуге мүмкіндік беретін техника, яғни қылмыс орнынан алынған ДНК-ның тіпті аз ғана мөлшерін де көбейтіп, талдау үшін жеткілікті материалды қамтамасыз етуге болады. Гельдік электрофорез ДНК тізбегін мөлшері бойынша бөлуге мүмкіндік береді, ал нәтижесінде шығатын үлгі ДНК саусақ іздері деп аталады және ол әр адам үшін ерекше болады. Молекулалық генетикалық техникалардың осы комбинациясы ДНК тізбегін алуға, күшейтуге, талдауға және басқалармен салыстыруға мүмкіндік береді және сот сараптамасында қолданылатын стандартты әдіс болып табылады.