Введение

Биологическая лабораторная техника, метод выявления функций генов. Генетический скрининг или экран мутагенеза – это экспериментальная методика, используемая для идентификации и отбора индивидуумов, проявляющих интересующий фенотип в мутагенезированной популяции. Таким образом, генетический скрининг является разновидностью фенотипического скрининга. Генетические скрининги могут предоставить важную информацию о функциях генов, а также о молекулярных событиях, лежащих в основе биологического процесса или пути. Несмотря на то, что проекты генома идентифицировали обширный перечень генов у многих различных организмов, генетические скрининги могут дать ценные сведения о том, как эти гены работают.

Основная проверка

Форвардная генетика (или форвардный генетический скрининг) начинается с фенотипа и затем стремится идентифицировать вызывающую мутацию и, следовательно, ген(ы), ответственные за этот фенотип. Например, знаменитый скрининг, проведенный Кристиане Нюслайн-Фолхард и Эриком Вишаусом, заключался в мутагенезе плодовых мух с последующим поиском генов, вызывающих наблюдаемые мутантные фенотипы. Успешные форвардные генетические скрининги часто требуют четко определенного генетического фона и простой экспериментальной процедуры. То есть, когда мутагенезируют несколько особей, они должны быть генетически идентичны, чтобы их фенотип дикого типа также был одинаковым, а мутантные фенотипы было легче идентифицировать. Простой метод скрининга позволяет проанализировать большее количество особей, тем самым повышая вероятность получения и идентификации интересующих мутантов. Обратная генетика (или обратный генетический скрининг) начинается с известного гена и оценивает эффект его инактивации путем анализа результирующих фенотипов. Например, в нокаут-скрининге один или несколько генов полностью удаляются, а полученные делеционные мутанты тестируются на фенотипические проявления. Такие скрининги были проведены для всех генов многих бактерий и даже сложных организмов, таких как *C. elegans*. Более того, обратная генетика используется для индуцирования мутаций в модельных организмах с целью изучения их роли в развитии заболеваний. Она также позволяет получать высокоточные статистические данные о мутациях, возникающих в конкретных генах, определяя случайность этих мутаций и частоту их возникновения.

Вариации скрининга

Было разработано множество вариантов скрининга для выявления гена, ответственного за интересующий мутантный фенотип.

Усилитель

Скрининг для выявления усилителей начинается с мутантного организма, в котором нарушен интересующий биологический или физиологический процесс из-за известной генной мутации. Этот скрининг можно использовать для идентификации дополнительных генов или мутаций генов, играющих роль в этом процессе. Скрининг генетических усилителей выявляет мутации, которые усиливают фенотип, представляющий интерес, у уже мутантного организма. Фенотип двойного мутанта (организма, несущего как мутацию-усилитель, так и исходную фоновую мутацию) проявляется сильнее, чем фенотипы каждого из одиночных мутантов. Усиление должно быть больше, чем суммарный эффект ожидаемых фенотипов от двух мутаций по отдельности, и поэтому каждая мутация может рассматриваться как усилитель эффекта другой. Выделение мутантов-усилителей может привести к идентификации взаимодействующих генов или генов, действующих избыточно по отношению друг к другу.

Давление

Супрессорный скрининг используется для выявления супрессорных мутаций, которые ослабляют или восстанавливают фенотип исходной мутации, в процессе, определяемом как синтетическая жизнеспособность. Супрессорные мутации можно описать как вторичные мутации в участке хромосомы, отличном от участка изучаемой мутации, которые подавляют фенотип исходной мутации. Если мутация находится в том же гене, что и исходная, это называется интрагенной супрессией, а мутация, расположенная в другом гене, называется экстрагенной или интергенной супрессией.

CRISPR

CRISPR/Cas используется преимущественно для обратного генетического скрининга. CRISPR обладает способностью создавать библиотеки из тысяч точных генетических мутаций и может выявлять как новые, так и подтверждать известные опухоли в исследованиях рака. Геномная библиотека CRISPR Cas9 нокаутов (GeCKO), нацеленная на 18 080 генов с 64 751 уникальной направляющей последовательностью, позволяет идентифицировать гены, необходимые для выживания раковых клеток. Бактериальная система CRISPR–Cas9 используется для внесения мутаций, приводящих к потере функции (LOF) и приобретению функции (GOF), в немодифицированные органоиды кишечника человека с целью создания модели колоректального рака (CRC). Также её можно использовать для изучения функциональных последствий мутаций in vivo, обеспечивая возможность прямого редактирования генома в соматических клетках.

Картография мутантов

При классическом генетическом подходе исследователь затем определит местоположение (составит карту) гена на его хромосоме, скрещивая организмы, несущие другие необычные признаки, и собирая статистику о частоте совместного наследования этих двух признаков. Классические генетики использовали фенотипические признаки для картирования новых мутантных аллелей. С появлением геномных последовательностей модельных организмов, таких как Drosophila melanogaster, Arabidopsis thaliana и C. elegans, было идентифицировано множество однонуклеотидных полиморфизмов (СНП), которые теперь могут использоваться в качестве признаков для картирования. Фактически, Гейдельбергский скрининг, разработанный в 1980 году Нюсслейном-Вольхардом и Вишаусом и позволяющий массовое тестирование мутантов, открыл путь для дальнейших исследований в этой области. СНП являются предпочтительными признаками для картирования, поскольку они встречаются очень часто – примерно одна разница на 1000 пар оснований – между разными сортами организмов. Мутагены, такие как случайные вставки ДНК посредством трансформации или активные транспозоны, также могут быть использованы для получения новых мутантов. Преимущество этих методов заключается в том, что они позволяют пометить новые аллели известным молекулярным (ДНК) маркером, что облегчает быструю идентификацию гена.

Позиционное клонирование

Позиционное клонирование – это метод идентификации генов, в котором ген, ответственный за определенный фенотип, идентифицируется исключительно по его приблизительному хромосомному расположению (но не по функции); эта область известна как область-кандидат. Изначально область-кандидат может быть определена с использованием таких методов, как анализ сцепления, после чего позиционное клонирование применяется для сужения области-кандидата до тех пор, пока не будут обнаружены ген и его мутации. Позиционное клонирование обычно включает в себя выделение частично перекрывающихся фрагментов ДНК из геномных библиотек для последовательного продвижения вдоль хромосомы к целевому гену. В процессе позиционного клонирования необходимо установить, является ли рассматриваемый фрагмент ДНК частью гена. Для этой цели используются такие тесты, как межвидовая гибридизация, идентификация неметилированных CpG-островов, захват экзонов, прямой отбор кДНК, компьютерный анализ последовательности ДНК, скрининг мутаций у пораженных индивидуумов и анализ экспрессии генов. Для геномов, в которых известны области генетических полиморфизмов, позиционное клонирование включает в себя идентификацию полиморфизмов, фланкирующих мутацию. Этот процесс требует последовательного клонирования и секвенирования фрагментов ДНК от ближайшего известного генетического маркера, приближаясь к мутантному аллелю с каждым новым клоном. Этот процесс создает контиг-карту локуса и известен как хромосомная ходьба. С завершением проектов секвенирования генома, таких как проект «Геном человека», современное позиционное клонирование может напрямую использовать готовые контиги из баз данных геномных последовательностей. Для каждого нового клона ДНК идентифицируется полиморфизм и тестируется в картографирующей популяции на частоту рекомбинации по отношению к мутантному фенотипу. Когда клон ДНК находится на или вблизи мутантного аллеля, частота рекомбинации должна быть близка к нулю. Если хромосомная ходьба проходит через мутантный аллель, новые полиморфизмы начнут демонстрировать увеличение частоты рекомбинации по отношению к мутантному фенотипу. В зависимости от размера картографирующей популяции мутантный аллель может быть локализован в небольшом регионе (<30 Кб). Затем необходимо сравнить последовательности дикого типа и мутантной ДНК в этом регионе, чтобы выявить мутацию ДНК, вызывающую фенотипические различия. Современное позиционное клонирование может более эффективно извлекать информацию из проектов секвенирования генома и существующих данных путем анализа генов в области-кандидате. Затем можно расставить приоритеты среди потенциальных генов, вызывающих заболевание, в области-кандидате, что потенциально снизит объем работы. Гены с паттернами экспрессии, согласующимися с фенотипом заболевания, демонстрирующие (предполагаемую) функцию, связанную с фенотипом, или гомологичные другому гену, связанному с фенотипом, являются приоритетными кандидатами. Обобщение методов позиционного клонирования таким образом также известно как позиционное обнаружение генов. Позиционное клонирование является эффективным методом изоляции генов заболевания непредвзятым образом и было использовано для идентификации генов, вызывающих мышечную дистрофию Дюшенна, болезнь Хантингтона и муковисцидоз. Однако осложнения в анализе возникают, если заболевание проявляет гетерогенность локуса.