Кіріспе

Биологиялық зертханалық техника – гендердің функцияларын анықтау әдісі. Генетикалық экран немесе мутагенездік экран – мутагенезделген популяцияда қызығушылық тудыратын фенотипке ие жеке тұлғаларды анықтау және іріктеу үшін қолданылатын тәжірибелік техника. Осылайша, генетикалық экран – фенотиптік экранның бір түрі. Генетикалық экрандар гендердің қызметі туралы маңызды ақпаратты, сондай-ақ биологиялық процесс немесе жолдың негізінде жатқан молекулалық оқиғалар туралы мәліметтер бере алады. Геномдық жобалар көптеген әртүрлі организмдердегі гендердің кең ауқымды тізімін анықтағанмен, генетикалық экрандар осы гендердің қалай жұмыс істейтіні туралы құнды түсініктер ұсынуы мүмкін.

Негізгі скрининг

Алға генетика (немесе алға генетикалық скрининг) фенотиптен басталады, содан кейін осы фенотипке жауапты мутацияны және осылайша ген(дер)ді анықтауға тырысады. Мысалы, Кристиан Нүсслейн-Вольхард пен Эрик Вишаустың әйгілі скринингі жеміс шырындарын мутациялады, содан кейін байқалған мутантты фенотиптерге себеп болатын гендерді табуға кірісті. Сәтті алға генетикалық скринингтерге көбінесе анықталған генетикалық фон және қарапайым тәжірибелік процедура қажет. Яғни, бірнеше организм мутацияланған кезде олар генетикалық тұрғыдан бірдей болуы керек, сонда олардың жабайы типтегі фенотипі де бірдей болады және мутантты фенотиптерді анықтау оңайырақ болады. Қарапайым скринингтік әдіс көптеген организмдерді скринингке алуға мүмкіндік береді, осылайша қызығушылық тудыратын мутанттарды жасау және анықтау ықтималдығы артады. Кері генетика (немесе кері генетикалық скрининг) белгілі геннен басталады және оның бұзылуының әсерін нәтижесінде пайда болған фенотиптерді талдау арқылы бағалайды. Мысалы, нокаут скринингінде бір немесе бірнеше гендер толығымен жойылады және жойылған мутанттар фенотиптерге тексеріледі. Мұндай скрининг көптеген бактериялар мен тіпті C. elegans сияқты күрделі организмдердің барлық гендері үшін жүргізілген. Бұдан әрі, ол модельді организмдерде аурудың себептерін анықтау үшін мутацияларды тудырады. Кері генетика сондай-ақ белгілі бір гендерде болатын мутациялар туралы өте дәл статистика беру үшін де қолданылады. Осы скринингтерден мутациялардың қаншалықты кездейсоқ екенін және олардың қаншалықты жиі болатынын анықтай аласыз.

Скринингтің өзгеруі

Көптеген скринингтік әдістер қызығушылық тудыратын мутантты фенотипке себеп болатын генді анықтау мақсатымен жасалған.

Көтергіш

Көтергішті іздеу (экран) белгілі гендік мутациясы бар, қызығушылық тудыратын процесі бұзылған мутант жеке тұлғадан басталады. Бұл іздеуді осы биологиялық немесе физиологиялық процесте рөл атқаратын қосымша гендерді немесе гендік мутацияларды анықтау үшін қолдануға болады. Генетикалық көтергішті іздеу бұрыннан мутацияланған жеке тұлғада қызығушылық тудыратын фенотипті күшейтетін мутацияларды анықтайды. Қос мутанттың (көтергіш және бастапқы мутациясы бар жеке тұлға) фенотипі, екі жеке мутанттың фенотиптерінен гөрі айқын байқалады. Көтергіш эффект екі мутацияның күтілетін фенотиптерінен асып түсуі керек, сондықтан әр мутация екіншісі үшін көтергіш болып саналады. Көтергіш мутанттарды бөліп алу, өзара әрекеттесетін гендерді немесе бір-біріне қатысты қайталама функциясы бар гендерді анықтауға мүмкіндік береді.

Басушы

Супрессорлық скрининг синтетикалық тірі қалу қабілеті деп аталатын процесте бастапқы мутацияның фенотипін жеңілдететін немесе кері қайтаратын супрессорлық мутацияларды анықтау үшін қолданылады. Супрессорлық мутациялар зертене жатқан мутациядан өзгеше хромосомадағы екінші мутациялар ретінде сипатталады, олар бастапқы мутацияның фенотипін жояды. Егер мутация бастапқы мутациямен бір генде болса, онда ол интрагендік супрессия деп аталады, ал басқа генде орналасқан мутация экстрагендік супрессия немесе интергендік супрессия деп аталады.

CRISPR-тің

CRISPR/Cas негізінен кері генетикалық скринингтер үшін қолданылады. CRISPR мыңдаған дәл генетикалық мутациялардың кітапханасын жасауға мүмкіндік береді және қатерлі ісіктерді зерттеуде жаңа ісіктерді анықтауға, сондай-ақ бұрынғы ісіктерді растауға болады. 18 080 генге және 64 751 бірегей жетекші тізбекке бағытталған геномдық масштабтағы CRISPR Cas9 нокаут (GeCKO) кітапханасы, қатерлі ісік жасушаларының тірі қалуы үшін қажетті гендерді анықтайды. Колоректальдық қатерлі ісік (CRC) моделін көрсету мақсатында, өңделмеген адам ішек органоидтарында функция жоғалту (LOF) және функцияны күшейту (GOF) мутацияларын жасау үшін бактериялық CRISPR–Cas9 жүйесі қолданылады. Бұл соматикалық жасушаларда тікелей геномдық өңдеу арқылы мутациялардың функционалдық салдарларын in vivo зерттеуге де мүмкіндік береді.

Мутанттарды картаға түсіру

Классикалық генетикалық тәсіл бойынша зерттеуші генді оның хромосомасында басқа ерекше белгілері бар жеке тұлғалармен будандастыру арқылы және екі белгінің бірге қаншалықты жиі мұрагерлікпен берілетіні туралы статистика жинау арқылы анықтайды (картаға түсіреді). Классикалық генетиктер жаңа мутант аллельдерді картаға түсіру үшін фенотиптік белгілерді пайдаланған болар еді. Drosophila melanogaster, Arabidopsis thaliana және C. elegans сияқты модельдік жүйелердің геномдық тізбектерінің пайда болуымен көптеген жалғыз нуклеотидтік полиморфизмдер (ЖНП) анықталды, оларды картаға түсіру үшін белгілер ретінде қолдануға болады. Шындығында, 1980 жылы Нюсслейн Вольхард пен Вишаус жасаған, мутанттарды жаппай тестілеуге мүмкіндік беретін Хайдельберг скринингі, осы саладағы болашақ ғалымдарға жол ашты. ЖНП картаға түсіру үшін артықшылықты белгі болып табылады, өйткені олар әртүрлі организмдердің 1000 негіз жұбына шамамен бір айырмашылықпен өте жиі кездеседі. Трансформация немесе белсенді транспозон арқылы кездейсоқ ДНК енгізу сияқты мутагендерді де жаңа мутанттарды жасау үшін қолдануға болады. Бұл техникалардың артықшылығы жаңа аллельдерді белгілі молекулалық (ДНК) маркермен белгілеу болып табылады, бұл генді жылдам анықтауды жеңілдетеді.

Позициялық клондау

Позициялық клонинг – белгілі бір фенотиптің генін оның шамамен хромосомалық орналасуы бойынша ғана анықтайтын генді табу әдісі (функциясы емес); бұл кандидаттық аймақ деп аталады. Бастапқыда кандидаттық аймақ байланыс талдауы сияқты әдістер арқылы анықталады, содан кейін позициялық клонинг ген мен оның мутациялары табылғанға дейін кандидаттық аймақты тарылтады. Позициялық клонинг әдетте геномдық кітапханалардан хромосома бойынша белгілі бір генге қарай ішінара жапсарлас ДНК сегменттерін бөліп алуды қамтиды. Позициялық клонинг процесінде қазіргі қарастырылып жатқан ДНК сегменті геннің бөлігі болып табысатынын анықтау қажет. Бұл мақсатта түрлер аралық гибридизация, метилденбеген CpG аралдарын анықтау, экзонды тұтқындау, тікелей cDNA іріктеу, ДНК тізбегінің компьютерлік талдауы, ауруға шалдыққандардағы мутацияны скринингтеу және ген экспрессиясын тексеру сияқты тесттер қолданылады. Генетикалық полиморфизмдердің аймақтары белгілі геномдар үшін позициялық клонинг мутацияны шектеуші полиморфизмдерді анықтауды қамтиды. Бұл процесте ең жақын белгілі генетикалық маркердің ДНК фрагменттері біртіндеп клондалып, реттелді, әрбір жаңа клонмен мутантты аллельге жақындау жүзеге асырылады. Бұл процесс локустың контиг картасын құрады және хромосомалық жүріс деп аталады. Адам геномы жобасы сияқты геномды тізбектеу жобаларының аяқталуымен қазіргі позициялық клонинг геномдық тізбектердің дерекқорларынан тікелей дайын контигтерді пайдалана алады. Әрбір жаңа ДНК клоны үшін полиморфизм анықталады және картаға түсіру популяциясында мутантты фенотипке қатысты оның рекомбинация жиілігі тексеріледі. ДНК клоны мутантты аллельге жақын немесе жақын болғанда рекомбинация жиілігі нөлге жақын болуы керек. Егер хромосомалық жүріс мутантты аллель арқылы өтетін болса, жаңа полиморфизмдер мутантты фенотипке қатысты рекомбинация жиілігінің жоғарылауын көрсете бастайды. Карталау популяциясының мөлшеріне байланысты мутантты аллельді кішкентай аймаққа дейін (<30 Кб) тарылтады. Содан кейін осы аймақтағы қалыпты және мутантты ДНК арасындағы тізбектерді салыстыру фенотиптік айырмашылықты тудыратын ДНК мутациясын анықтау үшін қажет. Қазіргі позициялық клонинг геномдық тізбектеу жобаларынан және қолданыстағы деректерден кандидаттық аймақтағы гендерді талдау арқылы ақпаратты тікелей алуға мүмкіндік береді. Осылайша, кандидаттық аймақтағы аурудың ықтимал гендерін басымдыққа бөлуге болады, бұл жұмыстың көлемін азайтуға мүмкіндік береді. Аурудың фенотипіне сәйкес экспрессиялық үлгілері бар, фенотипке байланысты (болжамды) функцияны көрсететін немесе фенотипке байланысты басқа генге гомологты гендер басымдыққа ие кандидаттар болып табылады. Осылайша позициялық клондау әдістерін жалпылау позициялық генді табу деп те аталады. Позициялық клонинг – ауру гендерін бейтарап түрде оқшаулаудың тиімді әдісі және Дюшеннің бұлшықет дистрофиясы, Хантингтон ауруы және кістік фиброзы сияқты аурулардың гендерін анықтау үшін қолданылды. Дегенмен, егер ауру локустың гетерогенділігін көрсетсе, талдауда қиындықтар туындайды.