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.
a method to identify the functions of genes
A genetic screen or mutagenesis screen is an experimental technique used to identify and select individuals who possess a phenotype of interest in a mutagenized population. Hence a genetic screen is a type of phenotypic screen. Genetic screens can provide important information on gene function as well as the molecular events that underlie a biological process or pathway. While genome projects have identified an extensive inventory of genes in many different organisms, genetic screens can provide valuable insight as to how those genes function.
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.