Введение

Генетический анализ — это комплексный процесс изучения и исследований в областях науки, связанных с генетикой и молекулярной биологией. Различные приложения, разработанные на основе этих исследований, также рассматриваются как часть этого процесса. В основе системы анализа лежит общая генетика. Базовые исследования включают идентификацию генов и наследственных заболеваний. Эти исследования проводятся на протяжении веков как на макроскопическом уровне, основанном на физических наблюдениях, так и на микроскопическом. Генетический анализ может использоваться для описания методов, применяемых в генетике и молекулярной биологии, а также результатов, полученных в ходе этих исследований. Генетический анализ может быть выполнен для выявления генетических/наследственных заболеваний, а также для проведения дифференциальной диагностики при некоторых соматических заболеваниях, таких как рак. Генетический анализ рака включает в себя обнаружение мутаций, генных слияний и изменений числа копий ДНК.

История

Большая часть исследований, заложивших основу генетического анализа, началась в доисторические времена. Ранние люди обнаружили, что могут использовать селективное разведение для улучшения сельскохозяйственных культур и домашних животных. Они также выявляли наследственные признаки у людей, которые со временем исчезали. Многочисленные генетические исследования постепенно развивались и совершенствовались с течением времени.

Менделевские исследования

Современный генетический анализ начался в середине 1800-х годов с исследований, проведенных Грегором Менделем. Мендель, которого называют "отцом современной генетики", был вдохновлен изучением изменчивости растений. В период с 1856 по 1863 год Мендель вырастил и протестировал около 29 000 растений гороха (то есть Pisum sativum). Это исследование показало, что у одного из четырех растений гороха были чистые рецессивные аллели, два из четырех – гибриды, а один из четырех – чистые доминантные. Его эксперименты привели к двум обобщениям – закону расщепления и закону независимого наследования, которые позже стали известны как законы наследственности Менделя. Не имея фундаментального понимания наследственности, Мендель наблюдал за различными организмами и впервые применил генетический анализ, чтобы установить, что признаки наследуются от родителей, и эти признаки могут варьироваться у потомства. Позднее было установлено, что за эти признаки отвечают определенные структуры внутри каждой клетки. Эти структуры называются генами. Каждый ген определяется последовательностью аминокислот, которые создают белки, ответственные за генетические признаки.

Типы

Генетический анализ включает молекулярные технологии, такие как ПЦР, обратная транскрипция ПЦР, секвенирование ДНК и ДНК-микрочипы, а также цитогенетические методы, такие как кариотипирование и флуоресцентная in situ гибридизация.

Секвенирование ДНК

Секвенирование ДНК необходимо для применения генетического анализа. Этот процесс используется для определения последовательности нуклеотидных оснований. Каждая молекула ДНК состоит из аденина, гуанина, цитозина и тимина, которые определяют функции, которые будут выполнять гены. Это было впервые установлено в 1970-х годах. Секвенирование ДНК охватывает биохимические методы определения последовательности нуклеотидных оснований – аденина, гуанина, цитозина и тимина – в олигонуклеотиде ДНК. Получая последовательность ДНК конкретного организма, мы определяем закономерности, составляющие генетические признаки и, в некоторых случаях, поведение. Методы секвенирования эволюционировали от относительно трудоемких процедур, основанных на использовании гелей, до современных автоматизированных протоколов, основанных на мечении красителями и детекции в капиллярном электрофорезе, что позволяет быстро и в больших масштабах секвенировать геномы и транскриптомы. Знание последовательностей ДНК генов и других частей генома организмов стало незаменимым как для фундаментальных исследований биологических процессов, так и для прикладных областей, таких как диагностика или судебно-медицинская экспертиза. Развитие секвенирования ДНК значительно ускорило биологические исследования и открытия.

Цитогенетика

Цитогенетика — это раздел генетики, изучающий структуру и функции клеток, в особенности хромосом. Полимеразная цепная реакция исследует амплификацию ДНК. Благодаря детальному анализу хромосом в цитогенетике, аномалии легче выявляются и диагностируются.

Кариотипирование

Кариотип — это число и внешний вид хромосом в ядре эукариотической клетки. Этот термин также используется для обозначения полного набора хромосом у вида или отдельного организма. Кариотип описывает количество хромосом и их вид при наблюдении в световой микроскоп. При этом учитываются их длина, положение центромер, рисунок полос, любые различия между половыми хромосомами и другие физические характеристики. Кариотипирование — это метод изучения хромосом, используемый для выявления генетических аномалий и эволюционных изменений в прошлом.

Микромассивы ДНК

Микрочип ДНК – это набор микроскопических пятен ДНК, закрепленных на твердой поверхности. Ученые используют микрочипы ДНК для одновременного измерения уровней экспрессии большого числа генов или для генотипирования множества участков генома. Когда ген экспрессируется в клетке, он производит матричную РНК (мРНК). Гены с повышенной экспрессией производят больше мРНК, чем гены с пониженной экспрессией. Это можно обнаружить на микрочипе. Поскольку на чипе может быть размещено десятки тысяч зондов, эксперимент с микрочипом позволяет проводить множество генетических тестов параллельно. Таким образом, микрочипы значительно ускорили многие типы исследований.

ПЦР

Полимеразная цепная реакция (ПЦР) – это биохимическая технология в молекулярной биологии, предназначенная для многократного усиления одной или нескольких копий фрагмента ДНК, увеличивая их количество в тысячи или миллионы раз и создавая множество копий определенной последовательности ДНК. ПЦР является распространенным и часто незаменимым методом, используемым в медицинских и биологических исследовательских лабораториях для широкого спектра задач. К ним относятся клонирование ДНК для секвенирования, построение филогенетических деревьев на основе ДНК или функциональный анализ генов, диагностика наследственных заболеваний, идентификация генетических профилей (применяется в судебной медицине и установлении отцовства), а также выявление и диагностика инфекционных заболеваний.

Рак

Многочисленные практические достижения были сделаны в области генетики и молекулярной биологии благодаря процессам генетического анализа. Одним из наиболее значительных достижений в конце 20-го и начале 21-го веков стало углубленное понимание связи рака с генетикой. Выявляя гены, функционирующие аномально в раковых клетках, врачи могут улучшить диагностику и лечение раковых заболеваний.

Исследования

Исследования позволили выявить такие понятия, как генетические мутации, генные слияния и изменения числа копий ДНК, и в этой области ежедневно достигаются новые успехи. Многие из этих разработок привели к появлению новых научных дисциплин, основанных на принципах генетического анализа. Обратная генетика использует методы для определения недостающих элементов в генетическом коде или того, что можно добавить для его изменения. Исследования генетической связи анализируют пространственную организацию генов и хромосом. Также проводились исследования для оценки юридических, социальных и этических последствий расширения применения генетического анализа. Генетический анализ может использоваться для выявления генетических/наследственных заболеваний, а также для проведения дифференциальной диагностики при некоторых соматических заболеваниях, таких как рак. Генетический анализ рака включает в себя обнаружение мутаций, генных слияний и изменений числа копий ДНК.