6632

Методы современного генетического анализа

Научная статья

Биология и генетика

Методы современного генетического анализа ДНК может быть изолирована из любого типа тканей или клеток, содержащих ядра. У человека ДНК обычно выделяют из лейкоцитов крови, для чего собирают от 0,5 до 2-3 мл венозной крови. В плазме, обогащенной лейк...

Русский

2013-01-06

21.01 KB

23 чел.

Методы современного генетического анализа

ДНК может быть изолирована из любого типа тканей или клеток, содержащих ядра. У человека ДНК обычно выделяют из лейкоцитов крови, для чего собирают от 0,5 до 2-3 мл венозной крови. В плазме, обогащенной лейкоцитами, с помощью детергентов производят быстрый лизис клеток. Высвобождение ДНК из хромосом достигается за счет протеолитического разрушения ассоциированных с этими молекулами ядерных белков. Наиболее часто для этого используют протеиназу К. Экстрагирование и удаление из раствора фрагментов белков, углеводов, липидов чаще всего производят с помощью фенольной, а затем хлороформной очистки. В дальнейшем молекулы ДНК концентрируют путем преципитации их в этаноле в результате чего ДНК выпадает в осадок и может длительно храниться при минусовых температурах. При необходимости использования образца ДНК ее осаждают с помощью высокоскоростного центрифугирования, сливают спирт и растворяют в буферном растворе.

Распространенным методом работы с молекулами ДНК и РНК является электрофорез в полиакриламидном или агарозном гелях. Гель помещают в камеру с буферным раствором, в котором суммарный заряд ДНК отрицателен, так что при подключении электрического тока фрагменты начинают двигаться в порах геля от катода к аноду. При этом скорость продвижения ДНК сквозь поры зависит от величины и конфигурации молекул, что и определяет их разделение. Идентификация ДНК в геле осуществляют путем специфического окрашивания, чаще всего - бромидом этидия или серебром.

Открытие бактериальных ферментов, обладающих эндонуклеазной активностью - рестрикционных эндонуклеаз, или рестриктаз, значительно продвинуло исследование структуры ДНК и возможности генно-инженерного манипулирования с молекулами ДНК. Рестриктазы выделяют путем биохимической очистки из различных видов бактерий. В настоящее время известно более 500 различных типов рестриктаз. В генетической инженерии используются в основном рестриктазы II типа. Каждый из этих ферментов узнает свою, специфическую последовательность из нескольких нуклеотидов в двухцепочечной молекуле ДНК и разрезает ее на фрагменты в местах локализации этих последовательностей, называемых сайтами рестрикции. В результате действия рестриктаз образуются фрагменты ДНК определенной длины. Количество образующихся фрагментов определяется частотой встречаемости сайтов рестрикции, а их размер - характером распределения этих сайтов по длине исходной молекулы ДНК. Таким образом, при использовании рестриктаз можно получить фрагменты ДНК разной длины, а размеры фрагмента определяют также при электрофорезе в геле. Этот метод позволяет определить молекулярную массу фрагментов, а значит физическое расстояние между сайтами рестрикции.

Следующим этапом анализа изолированного фрагмента ДНК является определение нуклеотидной последовательности, то есть секвенирование. При этом надо получить серию комплементарных матрице молекул ДНК, различающихся по длине на одно основание. Чаще для секвенирования используют метод Сэнджера, когда после гибридизации праймера (искусственно синтезированная нуклеотидная последовательность) добавляют ДНК-полимеразу и другие компоненты, необходимые для репликации, а также терминирующие дидезоксинуклеотиды, и иницируют синтез ДНК фрагментов различной длины. В последующем при электрофоретическом разделении может быть определен размер этих синтезированных фрагментов и локализация дидезоксинуклеотидов, соответствующая порядку нуклеотидов в исходной молекуле ДНК. В последнее время развивается метод секвенирования путем гибридизации используемой последовательности ДНК с набором олигонуклеотитов, так называемой олигонуклеотидной матрицей. С этой целью создаются наборы матриц - чипы, в ячейках которых иммобилизированы все возможные варианты перестановок из 4-х стандартных нуклеотидов.

Идентификация специфических участков в молекулах ДНК осуществляется с помощью ДНК-зондов. Зондом может служить любая однонитевая ДНК ограниченного размера, используемая для поиска комплементарных последовательностей. При добавлении такой молекулы к пулу разнообразных однонитевых ДНК и обеспечении условий для гибридизации ДНК-зонд образует двунитевую структуру только с определенной молекулой ДНК и только в том месте, где он найдет комплементарную последовательность. В ДНК-зонд может быть введена радиоактивная, биотиновая, флюоресцентная или другая метка, по которой можно следить за его месторасположением. В ряде случаев в качестве зондов используют искусственным образом синтезированные олигонуклеотидные последовательности ДНК, размер которых обычно не превышает 3-х оснований.

Зондами также могут служить выделенные из генома клонированные последовательности ДНК. В качестве векторов для клонирования широко применяют плазмидную ДНК, фаги (бактериальные вирусы), или искусственные дрожжевые хромосомы. Идентификацию с помощью ДНК-зондов специфических участков в геномной ДНК проводят после ее рестрикции и электрофоретического разделения образовавшихся фрагментов. Эта технология, получила название блот-гибридизации по Саузерну в честь автора, предложившего его в 1975 г. Блот-гибридизация - высокочувствительный метод идентификации специфических последовательностей ДНК. Однако необходимость работы с чистыми препаратами ДНК, применения меченых радиоактивных зондов, длительность и трудоемкость всей процедуры делают её весьма дорогостоящей, и ограничивает ее применение. Гибридизация с меченым ДНК-зондом препаратов ДНК, нанесенных капельно на твердый матрикс без предварительной рестрикции и электрофореза, носит название дот- или слот-гибридизации в зависимости от конфигурации пятна ДНК на фильтре - округлой или продолговатой формы. Метод гибридизации ДНК-зондов с электрофоретически разделенными молекулами РНК носит название Нозерн-блот-гибридизации, тогда как связывание электрофоретически разделенных белков, фиксированных на фильтрах с мечеными антителами, получил название Вестерн-блот.

Гибритизацию возможно проводить на гистологических или хромосомных препаратах, используя методы гибридизации in situ. Гибридизация in situ на хромосомных препаратах является одним из наиболее эффективных методов картирования комплементарных зонду последовательностей ДНК на хромосомах. Гибридизация in situ между молекулами РНК и кДНК-зондами, проводимая на гистологических препаратах, является одним из наиболее эффективных методов молекулярного анализа тканеспецифической экспрессии генов. Метод гибридизации in situ с ДНК-зондами позволяет определять не только тканеспецифическое распределение, но и внутриклеточную локализацию мРНК на гистологических срезах.

Набор клонированных фрагментов ДНК, полностью отражающих исходную молекулу ДНК, выделенную из какого-либо специфического источника, называют "библиотекой генов". В зависимости от происхождения ДНК различают геномные и ДНК-овые, обычно тканеспецифические, библиотеки генов. Для конструирования геномных библиотек используют тотальную ДНК, выделенную из лейкоцитов периферической крови, из культур клеток, эмбриональных тканей и других биологических источников. Разработаны методы сравнительного анализа различных тканенеспецифических библиотек, с тем чтобы выявить группы генов, экспрессирующихся только в одной ткани или одновременно в двух или нескольких разных тканях.

Гибридизация с ДНК-зондами и клонирование - очень трудоемкие методы, требуют большого количества ДНК и имеют ряд существенных недостатков и ограничений. Особых затрат требует создание зондов и дальнейшая инактивация меченных изотопом реагентов. Метод полимеразной цепной реакции (ПЦР) или специфической амплификации ДНК, изобретенный К. Мюллисом (удостоен за это Нобелевской премии), позволил избирательно синтезировать in vitro более миллиона копий любого участка ДНК длиной от нескольких десятков до нескольких тысяч пар нуклеотидов. При этом в качестве матрицы могут быть использованы любые образцы ДНК с частично или полностью известной нуклеотидной последовательностью. Огромное количество копий синтезируемого или амплифицируемого, фрагмента ДНК и небольшие его размеры позволяют проводить прямое молекулярное исследование этого участка. Конкретные методы анализа амплифицированных фрагментов и составляют основу современной клинической ДНК-диагностики, то есть оценки состояния определенного участка гена. Необходимым условием для проведения ПЦР является знание нуклеотидной последовательности, фланкирующей амплифицируемую область ДНК, так как специфический выбор этого участка осуществляется путем гибридизации матричной ДНК с двумя праймерами - искусственно синтезированными молекулами ДНК, размером обычно от 15 до 30 пар оснований, комплементарных 3'-концам амплифицируемого участка на смысловой и антисмысловой нитях ДНК. Расстояние между праймерами определяет длину синтезируемых молекул.

ПЦР обычно проводят в автоматическом режиме, используя для этого специальные приборы - амплификаторы. Такой прибор позволяет задавать нужное количество циклов и выбирать оптимальные временные и температурные параметры для каждой процедуры. В техническом исполнении ПЦР достаточно проста. Все компоненты реакции (матричную ДНК, праймеры, смесь дезокситрифосфатов и термофильную ДНК-полимеразу) добавляют в специфический буфер, помещают в амплификатор и выбирают необходимую программу циклической смены температуры и длительности каждого шага реакции. Для проведения реакции не требуется большого количества ДНК. Метод ПЦР позволяет проводить прямую диагностику мутаций в генах для сотен моногенных наследственных заболеваний. Этот метод является ключевым для расшифровки генетических основ предрасположенности к наиболее частым мультифакториальным болезням. На ПЦР основаны современные методы диагностики бактериальных и вирусных инфекций, позволяющие обнаруживать присутствие инфицирующих агентов вне зависимости от их активности.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

8565. Декарт. О методе 41 KB
  Р. Декарт. О методе Здравомыслие (bonsens) есть вещь, распределённая справедливее всего каждый считает себя настолько им наделённым, что даже те, кого всего труднее удовлетворить в каком-либо другом отношении, обыкновенно не стремятся иметь з...
8566. Камю. О проблеме самоубийства 39 KB
  А. Камю. О проблеме самоубийства Есть лишь одна по-настоящему серьезная философская проблема - проблема самоубийства. Решить, стоит или не стоит жизнь того, чтобы ее прожить - значит ответить на фундаментальный вопрос философии. Все остальное...
8567. Кант об априорных основаниях познания 60.5 KB
  И. Кант об априорных основаниях познания Метафизическое познание должно содержать исключительно суждение apriori, этого требует особенность его источников. Но какое бы происхождение и какую бы логическую форму ни имели суждения, во всяком случ...
8568. Мамардашвили. О понятии философии 49.5 KB
  М. К. Мамардашвили. О понятии философии На мой взгляд, смысл философии становится понятнее, если мы будем сопоставлять ее или, точнее, говорить о ней не как о науке или о картине мира, наукой представляемой, а сопоставлять ее, прежде всего, с тем ме...
8569. Мамардашвили. Появление философии на фоне мифа 37.5 KB
  М. К. Мамардашвили. Появление философии на фоне мифа Философия появилась в VI веке до н. э., когда фактически одновременно в разных местах людьми с определенными именами были выполнены какие-то акты, которые и были названы философскими. Скажем, слов...
8570. Ницше. О сверхчеловеке 55.5 KB
  Ф. Ницше. О сверхчеловеке Придя в ближайший город, лежащий за лесом, Заратустра нашёл там множество народа, собравшегося на базарной площади: ибо ему обещано было зрелище - плясун на канате. И Заратустра говорил так к народу: Я учу вас о сверхчелове...
8571. Ортега-и-Гассет. Восстание масс 35.5 KB
  Х. Ортега-и-Гассет. Восстание масс Происходит явление, которое, к счастью или к несчастью, определяет современную европейскую жизнь. Этот феномен - полный захват массами общественной власти. Поскольку масса, по определению, не должна и не спосо...
8572. Проблема происхождения философии 40.5 KB
  Проблема происхождения философии. Мировоззрение - совокупность наиболее общих взглядов и представлений о сущности окружающего мира. Духовное освоение мироздания с определенной точки зрения. В мировоззрении в обобщенном виде представлены: познав...
8573. Специфика философского знания. Основной вопрос философии 31.5 KB
  Специфика философского знания. Основной вопрос философии. Специфика философского знания. Основная специфика философского знания заключается в его двойственности, так как оно: имеет очень много общего с научным знанием - предмет, мет...