Реферат: Литература - Другое (книга по генетике)

p>каждой из которых проводят тестирование с помощью ПЦР. При

положительном ответе группу клеток разбивают на подгруппы и

процедуру повторяют до тех пор, пока не удается изолировать

нужные клоны.

Направленное выключение генов-мишеней может быть достиг-

нуто несколькими способами. Так называемые, нулевые мутации

могут быть получены путем встраивания плазмиды, содержащей,

наряду с экзонными последовательностями модифицируемого гена

и селектируемым маркерным геном, сильные транскрипционные и

трансляционные стоп-сигналы. При этом в разрушенном за счет

инсерции экзоне транскрипция прекращается, в результате чего

образуется укороченный белок, незащищенный от действия кле-

точных протеаз.

Более совершенной является разработанная недавно техни-

ка двойной замены гена. Для этого используют ЭСК, дефицитные

по ферменту HPRT - НМ1 (Melton, 1994). На первом этапе

ген-мишень инактивируют путем замены одного из экзонов и

прилежащих последовательностей на HPRT мини-ген. При этом в

нокаутирующем векторе HPRT маркер фланкируется ДНК последо-

вательностями, гомологичными месту вставки в ДНК гена-мише-

ни. В этот же вектор включен и ген вирусной тимидинкиназы

(Рис.8.5). После трансфекции отбираются клетки позитивные по

HPRT и негативные по вирусной тимидин-киназе. Именно в таких

клетках с высокой степенью вероятности произошла гомологич-

ная рекомбинация с заменой одного из экзонов на инсертиро-

ванный мини-ген HPRT. Факт такого встраивания доказывается

при помощи ПЦР. На следующем этапе инсертированный HPRT ми-

ни-ген заменяют на отсутствующий фрагмент гена-мишени, в ко-

торый предварительно вносят интересующие исследователя мута-

ции. При этом альтернативный вектор несет те же фланкирующие

ДНК-последоваельности гена-мишени, что и первый (нокаутирую-

щий) вектор. Клетки HPRT минус на этом, 2- м этапе с большой

вероятностью будут нести гомологичную рекомбинацию встроен-

ной конструкции мини-HPRT гена и альтернативного фрагмента

исходного гена. Факт такой рекомбинации контролируется с по-

мощью ПЦР. Таким образом, вместо обычного выключения функции

гена, что достигается уже на 1-м этапе, данная технология

позволяет вносить в структуру гена дикого типа различные,

заранее спланированные изменения, в том числе и специфичес-

кие мутации, аналогичные таковым при наследственных болезнях

у человека. Следовательно, данный подход позволяет проводить

более тонкое генетическое моделирование и исследовать осо-

бенности функции мутантного гена in vivo.

Для введения специфических мутаций в определенные экзо-

ны гена используют, так называемые "hit & run" векторы (Has-

ty et al., 1991). Перспективным также представляется исполь-

зование дрожжевых YAC-векторов, несущих полноразмерные

кДНК-овые последовательности гена. Так как уровень гомоло-

гичной рекомбинации у дрожжей достаточно высок, в такие

конструкции легко вводить специфические мутации и затем ис-

пользовать их для трансфекции ЭСК и получения трансгенных

животных 4.

Отбор клонов эмбриональных стволовых клеток, в которых

произошла направленная модификация гена-мишени, в значитель-

ной степени, предопределяет успех всего комплекса работ по

созданию модельной генетической линии. Однако, и дальнейшие

этапы этой программы, включающие получение химерных транс-

генных животных, идентификацию зародышевых трансмиттеров

(химер, продуцирующих трансфецированные половые клетки) и

селекцию гетерозиготных, а затем гомозиготных мутантнах осо-

бей, требуют большой квалификации, труда и времени. Осложня-

ющим обстоятельством является то, что химерные животные не-

редко имеют сниженную жизнеспособность и плодовитость. То же

может быть справедливо и в отношении гетерозиготных мутант-

ных особей. В гомозиготном состоянии инсертированные мутации

могут не только снижать жизнеспособность и плодовитость, но

и обладать летальным или полулетальным эффектом уже в прена-

тальном периоде. В таком случае линия поддерживается путем

отбора и скрещивания гетерозигот.

Несмотря на огромные методические сложности и высокую

стоимость, направленное получение моделей наследственных бо-

лезней оправдывает затраченные усилия. Мутантные животные

представляют уникальную возможность исследовать патофизиоло-

гические процессы, развивающиеся в организме вследствие на-

рушений работы определенного гена, анализировать влияние

специфических мутаций на фенотип, тестировать новые лекарс-

твенные препараты и испытывать различные терапевтические

подходы. Велика также роль генетических линий в разработке

методов генной терапии (см. Главу IX).

ГЛАВА IY.

ТИПЫ И НОМЕНКЛАТУРА МУТАЦИЙ. МЕТОДЫ ДНК- ДИАГНОСТИКИ.

Раздел 4.1 Мутантные аллели, характеристика и типы му-

таций.

Каждый генетический локус характеризуется определенным

уровнем изменчивости, то есть присутствием различных аллелей

или вариантов последовательностей ДНК у разных индивидуумов.

Применительно к гену, аллели разделяются на две группы -

нормальные, или аллели дикого типа, при которых функция гена

не нарушена, и мутантные, приводящие к нарушению работы ге-

на. В любых популяциях и для любых генов аллели дикого типа

являются преобладающими. Под мутацией понимают все изменения

в последовательности ДНК, независимо от их локализации и

влияния на жизнеспособность особи. Таким образом, понятие

мутации является более широким по сравнению с понятием му-

тантного аллеля. Уместно, однако, заметить, что в научной

литературе сравнительно часто встречающиеся в популяциях ва-

рианты последовательностей генов, не приводящие к заметным

нарушениям функций, обычно рассматриваются как нейтральные

мутации или полиморфизмы, тогда как понятия "мутация" и "му-

тантный аллель" зачастую употребляются как синонимы.

Как упоминалось ранее, различные изменения в нуклеотид-

ной последовательности транскрибируемых областей ДНК могут

по-разному проявляться в фенотипе. Часть из них не оказывает

никакого влияния на структуру и функцию соответствующего

белка. Примером могут служить замены нуклеотидов, не приво-

дящие к замене аминокислот в силу вырожденности генетическо-

го кода. Мутантные аллели, в свою очередь, могут быть под-

разделены на три класса: (1) мутации, ведущие к полной поте-

ре функции (loss-of-function), (2) мутации, сопровождающиеся

количественными изменениями соответствующих мРНК и первичных

белковых продуктов и (3) доминантно-негативные мутации, из-

меняющие свойства белковых субъединиц таким образом, что они

оказывают повреждающий эффект на жизнеспособность или функ-

ционирование экспрессирующих типов клеток (gain-of-function

мутации). Наибольшим повреждающим действием обладают мута-

ции, приводящие либо к образованию бессмысленного белка, ли-

бо к преждевременному окончанию его синтеза, то есть делеции

или инсерции, не кратные трем нуклеотидам и потому вызываю-

щие сдвиг рамки считывания, а также нонсенс мутации - замены

нуклеотидов, при которых образуются терминирующие стоп-кодо-

ны. Проявление таких мутаций зависит от их внутригенной ло-

кализации. Чем ближе мутации к 5' концу гена, то есть к на-

чалу транскрипции, тем короче их белковые продукты. Такие

абортивные (truncated) белки неспособны к модификациям и

быстро деградируют.

Фенотипическое проявление замен нуклеотидов в кодо-

нах, так нназываемых миссенс мутаций, зависит от природы

соответствующих аминокислотных замен в белке и от функцио-

нальной значимости того домена, в котором это произошло.

Так, замены аминокислот в активных центрах белков могут соп-

ровождаться полной потерей его функциональной активности,

тогда как даже значительно более серьезные нарушения в дру-

гих частях белка часто оказывают существенно меньшее влияние

на фенотип. Мутации на стыке экзонов и интронов (так называ-

емые сплайсинговые мутации) часто нарушают процессинг пер-

вичного РНК-транскрипта, в результате чего происходит либо

неправильное вырезание соответствующей интронной области и

трансляция бессмысленного удлиненного белка, не защищенного

от протеолитического действия внутриклеточных ферментов, ли-

бо вырезание экзонов и образование делетированного белка. В

обоих случаях сплайсинговые мутации, как правило , обуслав-

ливают тяжелое течение болезни. Нарушения в регуляторных об-

ластях генов сопровождаются количественными изменениями

соответствующего продукта и не затрагивают структуры и функ-

циональной активности белка. Проявление таких мутаций опре-

деляется, в конечном счете, пороговым уровнем концентрации

белка, при котором его функция еще сохраняется. Как правило,

регуляторные мутации менее серьезны и обладают более выра-

женным плейотропным (множественым) эффектом по сравнению с

мутациями структурных генов.

Относительно недавно выявлен новый класс так называемых

динамических мутаций, или мутаций экспансии, связанных с

нестабильностью числа тринуклеотидных повторов в функцио-

нально значимых частях генов. Многие тринуклеотидные повто-

ры, локализованные в транскрибируемых или регуляторных об-

ластях генов, характеризуются высоким уровнем популяционной

изменчивости, в пределах которого не наблюдается фенотипи-

ческих нарушений (Willems,1994). Болезнь развивается лишь

тогда, когда число повторов в этих сайтах превосходит опре-

деленный критический уровень. Наследование таких мутаций,

как правило, отличается от классического Менделевского ти-

па. Для них характерны: различная пенетрантность в сочетании

с неполным доминированием; геномный импринтинг (различия фе-

нотипических проявлений в зависимости от того, получена му-

тация от матери или от отца) и феномен антиципации - на-

растание тяжести проявления заболевания в последующих поко-

лениях (Willems,1994).

Классическим примером мутаций экспансии является синд-

ром ломкой Х-хромосомы (FraXA), обусловленный присутствием

удлиненных CCG повторов в 5'-нетранслируемой регуляторной

области FMR1-гена (Xq27.3). Аналогичные нестабильные повторы

обнаружены еще в трех ломких сайтах, причем два из них

(FraXE и FraXF) расположены на очень небольшом расстоянии

дистальнее FraXA. Во всех четырех случаях CCG-повторы лока-

лизованы вблизи от CpG островков, при этом увеличение числа

копий триплетов выше определенного порогового уровня сопро-

вождается гиперметилированием всей регуляторной GC-богатой

области, вследствие чего и происходит резкое снижение и

полное выключение транскрипционной активности - мутации по

типу " утраты функции" (loss-of-functions). Таким образом,

область CCG-повторов в этих локусах можно рассматривать, как

своеобразный cis-действующий элемент транскрипции (Willems,

1994, Mandel,1994).

Другой тип динамических мутаций описан для 6-ти раз-

личных тяжелых аутосомно-доминантных нейродегенеративных

расстройств (см. Главу X). Для всех этих заболеваний обнару-

жено присутствие удлиненных CAG-повторов в открытой рамке

считывания (ORF). Эти повторы транслируются в протяженные

полиглютаминовые треки, предположительно локализованные в

ДНК- связывающих доменах соответствующих белковых продуктов.

В результате белковые молекулы приобретают новые свойства,

нарушающие нормальные метаболические связи. Таким образом,

нестабильные CAG-повторы можно рассматривать, как

gain-of-function - мутации. Интенсивно обсуждается также

возможность участия амплификации CAG-повторов в формировании

предрасположенности к таким частым расстройствам центральной

нервной системы, как шизофрения и маниакально-депрессивный

психоз. Примером третьей группы болезней экспансии служит

миотоническая дистрофия. При этом заболевании огромные CTG

(или CAG) повторы локализованы в 3'-нетранслируемой области

гена. Они также рассматриваются, как факторы, нарушающие

нуклеосомную организацию гена и подавляющие его транскрипцию

Более подробно болезни экспансии рассмотрены в Главе X.

Раздел 4.2. Генетическая гетерогенность наследственных

заболеваний.

Одним из важных обобщающих итогов молекулярно-генети-

ческих исследований моногенных болезней явилось доказа-

тельство их генетической гетерогенности. Последняя может

быть вызвана разными причинами. Прежде всего, оказалось, что

один и тот же биохимический эффект (фенотип) может быть

обусловлен мутациями в разных генах. С другой стороны, мута-

ции одного и того же гена, как установлено, могут приводить

к совершенно разным клиническим проявлениям. Например, мута-

ции гена адренорецептора, сцепленого с Х-хромосомой, могут

быть причиной нейродегенеративного заболевания - болезни

Кеннеди, если они захватывают область тринуклеотидных повто-

ров (Глава X), и в то же время приводить к синдрому тестику-

лярной феминизации, то есть нарушениям половой дифференци-

ровки, если они затрагивают другие последовательности этого

же гена. Крайним выражением такой гетерогенности может слу-

жить пример с геном рецептора тирозинкиназы -RET, различные

мутации которого могут приводить к 4-м совершенно различным

наследственным синдромам, таким как семейная медуллярная

карцинома щитовидной железы, болезнь Гиршпрунга, множествен-

ная эндокринная неоплазия тип 2А (МЭН-2А) и тип 2B (МЭН-2B)

(Hayningen,1994). Подобные фенотипические разнообразия про-

явлений мутаций одного и того же гена получили название ал-

лельных серий. Термин используется уже около 20 лет для

описания групп из нескольких моногенных наследственных забо-

леваний, клинические проявления которых позволяют предпола-

гать их связь с разными генами, в то время как биохимические

и/или генетические исследования доказывают их аллельную при-

роду, то есть в основе их патогенеза лежат разные мутации

одного и того же гена.

В настоящее время известно более 100 таких болезней

(Romeo, McKusick, 1994). Для каждого заболевания из подобной

серии аллелизм мутаций уже доказан на молекулярном уровне.

Причины подобного фенотипического разнообразия могут быть

различными: (1) локализация мутантных аллелей в функциональ-

но разных доменах белка; (2) принципиально разный механизм

действия мутаций (loss-of-function, gain-of-function); (3)

присутствие в том же гене модифицирующего мутантного аллеля

или полиморфизма и (4) влияние генетического окружения на

проявление мутантного аллеля, то есть его взаимодействие с

определенными аллелями гена-модификатора или даже нескольки-

ми такими генами. Углубленный молекулярно-генетический ана-

лиз практически каждого наследственного заболевания указыва-

ет на его значительную генетическую гетерогенность, связан-

ную с различными мутациями гена. Некоторые примеры аллельных

серий и генетической гетерогенности заболеваний будут

рассмотрены более подробно в Главе X.

Раздел 4.3 Номенклатура мутаций.

Для практических целей и, главным образом, для чтения

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41