Jenis warisan non-negara

Sejumlah besar penyakit keturunan karena perubahan DNA diketahui, namun tidak memiliki karakter pewarisan Mendelian. Di bawah ini kita akan mempertimbangkan pewarisan mitokondria dari dan penyakit mitokondria, serta pencetakan.

Warisan mitokondria dan penyakit mitokondria

Mitokondria adalah organel seluler. Mitokondria memiliki dua membran yang sangat khusus - molekul DNA cincin luar dan dalam, serta sistem transkripsi dan terjemahannya sendiri. Setiap sel mengandung beberapa ratus mitokondria. Mereka melakukan sejumlah rantai reaksi biokimia yang penting, dimana reaksi metabolisme energi sel sangat penting.

Seperti telah dicatat, mitokondria memiliki DNA mereka sendiri, masing-masing mitokondria mengandung 10 atau lebih molekul DNA.Genom DNA mitokondria( mgDNA) benar-benar diuraikan.

Gangguan interaksi antara genom mitokondria dan nuklir menyebabkan berbagai patologi mitokondria.

Karena mtDNA terkandung dalam sitoplasma sel, itu hanya diwarisi pada garis ibu. Dalam sitoplasma telur, ada ribuan mitokondria dan, akibatnya, puluhan ribu molekul mtDNA.Pada saat yang sama di spermatozoon Hanya ada beberapa molekul mtDNA yang tidak jatuh ke dalam sel telur yang telah dibuahi. Oleh karena itu, pria mewarisi mtDNA dari ibu mereka, tapi jangan menyebarkannya kepada keturunan mereka. Jenis warisan ini disebut warisan ibu atau warisan ibu.

Biasanya, semua salinan mtDNA identik, dan kondisi ini disebut homoplasmi. Terkadang mutasi terjadi pada mtDNA.Karena tidak sempurnanya DNA mitokondria polimerase dan sistem perbaikan, mutasi mtDNA muncul 10 kali lebih sering daripada pada DNA nuklir. Munculnya mutasi pada salah satu molekul mtDNA dapat menyebabkan munculnya dua populasi mtDNA di dalam sel, yang disebut heteroplasia. Sebagai hasil pembelahan sel, mtDNA mutan memasuki sel lain, di mana terus berkembang biak.

Kebutuhan energi dari berbagai jaringan tubuh berbeda. Mengonsumsi energi paling banyak adalah sistem saraf. Itulah sebabnya sistem ini terutama dipengaruhi oleh penyakit mitokondria.

Klasifikasi penyakit mitokondria didasarkan pada dua prinsip:

1) keterlibatan protein mutan dalam reaksi energi fosforilasi oksidatif;

2) apakah mtDNA mutan atau DNA nuklir dikodekan.

Kelas I penyakit mitokondria mencakup atrofi disk Leber pada saraf optik. Penyakit ini memanifestasikan dirinya sebagai kehilangan penglihatan pusat akut atau subakut karena atrofi saraf optik. Penyakit ini bisa dimulai baik di masa kecil maupun di usia tua. Pada beberapa pasien, atrofi saraf optik dikombinasikan dengan gejala encephalomyopathy. Atrofi saraf optik Leber disebabkan oleh mutasi pada gen mtDNA yang mengkodekan subunit kompleks I. Sindrom Leia

( subacute necrotizing ensephalomyelopathy) termasuk dalam kelas ini. Sindrom Leia terjadi hanya jika mutan mutan setidaknya 90% dari total mtDNA.Jika persentase DNA mutan lebih rendah, maka sindrom neuropati, ataksia dan retinitis pigmentosa muncul.

Sindrom neuropati, ataksia dan distrofi pigmen gigi retina( NARP) dapat memanifestasikan dirinya baik pada masa bayi dan kemudian, sampai pada dekade ke-2 kehidupan. Selain patologi yang termasuk dalam nama sindrom ini, pasien mungkin mengalami demensia, kejang, neuropati sensorik motor, dan gangguan pendengaran. Sindrom Myoclonus-epilepsi

dan serat otot robek merah( MERRF), yang dimanifestasikan oleh epilepsi, demensia, ataksia dan miopati, terjadi dalam kasus mutasi pada gen tRNA.Sindrom ini dapat diwujudkan pada masa kanak-kanak dan dewasa. Selain gejala ini, pada pasien dengan sindrom MERRF, gangguan pendengaran neurosensori, demensia, atrofi saraf optik, diplegia spastik kadang-kadang diamati pada pasien. Biasanya, sindrom ini mengungkapkan heteroplasmi yang diucapkan, sehingga ekspresi sindrom ini bervariasi secara dramatis.

Sindrom lain yang disebabkan oleh penggantian titik pada gen tRNA adalah sindrom mitosondria ensefalomopati dan episode mirip stroke( MELAS).Dia juga memiliki heteroplasmi, dan akibatnya, ekspresi sindrom ini sangat bervariasi. Manifestasi klinis utama meliputi encephalomyopathy, kondisi seperti stroke, biasanya sementara, dengan restorasi fungsi, konvulsi, ataksia, mioklonus-epilepsi, sakit kepala migrain.

penyakit mitokondria

K disebabkan oleh penghapusan atau duplikasi termasuk sindrom Kearns-Sayre( miopati, gangguan serebelar dan gagal jantung), sindrom Pearson( pansitopenia, asidosis laktat, dan insufisiensi pankreas), serta optalmoplegia luar progresif kronis, diwujudkan kelalaianabad.

Interaksi antara genom nuklir dan mitokondria menjelaskan sindrom deplesi mtDNA, serta sindrom multiple mtDNA division. Kedua kondisi ini diwarisi sebagai tanda dominan autosomal, oleh karena itu mutasi gen nuklir mungkin penyebabnya.mitokondria penyakit rantai pernapasan

disebabkan oleh mutasi pada gen nuklir dapat dikelompokkan menjadi dua kelompok - dan miopati mitokondria, encephalomyopathies mitokondria. Penyakit ini diwariskan sebagai tanda Mendelian, namun karena kekurangan enzim yang masuk ke dalam salah satu kompleks rantai pernafasan mitokondria.

Menciptakan genomik

Sampai saat ini, ada tiga kelas pengecualian pada aturan Mendelian untuk identifikasi hibrida pada generasi ke 1.Pengecualian pertama telah dikenal sejak lama, dan ini terkait dengan warisan X-linked.

Yang kedua, yang baru saja dibahas, menyangkut karakteristik yang diidentifikasi oleh gen mtDNA yang memiliki apa yang disebut warisan ibu. Kedua kelas penyimpangan dari warisan Mendelian didasarkan pada perbedaan dalam kontribusi genetik orang tua terhadap genotipe keturunannya. Dalam warisan X-linked dari keturunannya hanya bisa mendapatkan kromosom X dari ibu, sementara ayah atau dari kromosom X, atau Y. Ketika warisan zigot mitokondria dibentuk oleh penggabungan dari sel-sel reproduksi, dan mendapat mitokondria yang terkandung dalam mtDNA mereka hanya melalui telur.

Baru-baru ini, genetika dan embriologi dijelaskan pengecualian ketiga - genomic imprinting, di mana kedua orang tua ditransmisikan ke keturunannya gen benar-benar identik, tetapi gen ini khusus orang tua jejak seks, gen ayah dan ibu diaktifkan atau ditekan( ditekan, diblokir) selama gametogenesis dengan cara yang berbeda. Jadi, dalam beberapa kasus, penting dari mana orang tua diberi warisan.

Istilah imprinting( imprint) pertama kali diajukan pada tahun 1960 oleh Crouse of Columbia University di Amerika Serikat.

Pencetakan genom menempati tempat khusus di antara mekanisme spesifik yang mengatur aktivitas gen pada tahap awal perkembangan, yang menyebabkan perbedaan ekspresi alel ibu dan ayah homolog. Modifikasi genetik selanjutnya dapat menyebabkan fakta bahwa perubahan ekspresi gen akan dipindahkan secara stabil selama perkembangan generasi sel. Pencetakan genomik, misalnya, dapat mengubah dosis gen yang mengendalikan pertumbuhan embrio, proliferasi sel, dan diferensiasi.

contoh pencetakan dari genom seseorang adalah kehamilan molar benar, yang terjadi ketika telur yang dibuahi, tanpa kromosom ibu, dua sperma. Meskipun adanya set diploid penuh, embriogenesis awal zigot tersebut terjadi secara tidak normal: jaringan embrio sendiri tidak terbentuk sama sekali. Dalam kasus kromosom maternal ganda, tumor teratoma-embrio berkembang. Hanya genom paternal ibu atau ayah saja yang tidak dapat memastikan perkembangan normal embrio.

Pada tingkat organisme, efek pencetakan terdeteksi karena adanya asal tunggal( induk atau ayah) di kumpulan kromosom fragmen atau keseluruhan kromosom - yang disebut diisomi tunggal-induk( ORD), yaitu ketidakseimbangan kromosom kualitatif daripada kuantitatif yang diamati.

Dalam beberapa tahun terakhir, efek pencetakan genom telah dipelajari secara intensif sehubungan dengan berbagai patologi pada manusia. Contoh penyakit, yang didasarkan pada kelainan fungsi area genom yang tercetak, cukup banyak, jadi kita dapat membicarakan tentang kelas khusus penyakit manusia - "penyakit imprinting", jumlahnya sudah lebih dari 30.

Data yang paling meyakinkan diperoleh dengan sindrom Prader-Willi( SPS) dansindrom Engelman( SE), yang memiliki manifestasi klinis berbeda secara signifikan, pada dasarnya memiliki perubahan sitogenetik molekuler yang serupa. Beckwith-Wiedemann

( SBV) cukup baik dipelajari dalam hal pencetakan dan sindrom memiliki karakteristik utama sebagai berikut: makrosomia, macroglossia, hernia umbilikalis, peningkatan kerentanan terhadap tumor.

Hubungan pencetakan genom dengan patologi herediter manusia lain pada tingkat kromosom atau gen individu juga dilacak dengan jelas dan sedang dipelajari secara luas. Jadi, misalnya, dengan korea Huntington dan ataksia tulang rawan tulang belakang, penyakit ini terjadi lebih awal dan terjadi lebih parah lagi jika gen yang diwariskan berasal dari ayah. Pada neurofibromatosis, distrofi miotonik, sebaliknya, penyakit ini memiliki onset lebih awal dan jalur berat dengan warisan gen mutan dari ibu. Tidak ada keraguan tentang implikasi pencetakan genom dalam etiologi pertumbuhan tumor.

Dalam beberapa tahun terakhir, dengan bantuan metode genetika molekuler, fenomena pencetakan genom telah diamati pada penyakit multifaktorial. Misalnya, jelas menunjukkan jejak ayah ditemukan pada dermatitis atopik, ibu - dengan asma bronkial dan atopi pada anak-anak. Dengan diabetes mellitus yang tergantung insulin, kemungkinan yang lebih tinggi untuk menemukan jejak ayah ditemukan.

GENE ENGINEERING

Metode genetika molekuler telah dijelaskan di atas yang digunakan untuk mengidentifikasi gen penyakit keturunan manusia yang mendidih, metode semacam itu termasuk dalam program internasional "Human Genome".Di bawah ini kita akan mempertimbangkan ketentuan utama rekayasa genetika dan esensi dari proyek "Human Genome".

Pada bulan Februari 2001, bersamaan dengan dua jurnal, "Alam" dan "Ilmu Pengetahuan", hasil rancangan seluruh genom manusia, yang diperoleh secara independen satu sama lain oleh sebuah konsorsium internasional, proyek "Genom Manusia" dan perusahaan swasta "Celera", yang merupakan proyek genomorang adalah perusahaan komersialPublikasi ini, terlepas dari ketidaklengkapan proyek ini, merupakan pencapaian signifikan semua ilmu biologi dan kedokteran. Teknologi DNA Rekombinan

Memang, pada saat program "Human Genome" diluncurkan, keseluruhan tren genetika molekuler telah terbentuk, yang disebut "rekayasa genetika", atau "teknologi DNA rekombinan".Yang terakhir ini dapat dibagi menjadi dua area besar: teknik kloning DNA dan metode analisis DNA, terutama penentuan urutan nukleotida dalam molekul DNA.

Kloning DNA

Kloning DNA in vivo( dalam organisme hidup) melibatkan 6 tahap:

1) mendapatkan fragmen DNA, termasuk gen atau bagiannya, menggunakan enzim restriksi;

2) rekombinasi fragmen;

3) Memasukkan fragmen DNA ke dalam vektor;

4) transformasi dengan vektor organisme inang;

5) skrining vektor rekombinan;

6) pemilihan peneliti klon yang menarik.

Konsep enzim restriksi

Pada setiap kromosom manusia, hanya ada satu untai DNA yang berkesinambungan. Sulit dikepak agar sesuai dengan kromosom. Hal ini praktis tidak mungkin dimanipulasi dengan molekul DNA sepanjang ini. Karena itu, penemuan di tahun 70an. Abad XXEnzim bakteri khusus yang memotong DNA menjadi fragmen terpisah, sangat relevan. Enzim telah disebut enzim restriksi atau endonuklease. Pada bakteri, enzim ini berfungsi untuk melindungi terhadap masuknya sel DNA asing.

Rekombinasi fragmen DNA

Pembatasan memotong kedua untai DNA, yang akibatnya berupa ujung tumpul atau lengket. DNA dari satu organisme dipotong oleh enzim restriksi spesifik di tempat yang ditentukan secara ketat, oleh karena itu DNA semacam itu setelah pembatasan( yang juga disebut pencernaan) akan selalu memberikan potongan fragmen yang sama. Jika satu jenis enzim restriksi digunakan untuk memotong DNA dari organisme yang berbeda, maka kumpulan fragmen akan berbeda, namun urutan nukleotida di lokasi pemotongan akan sama untuk semua fragmen dan, akibatnya, saling melengkapi satu sama lain saat fragmen bentuk lengket terbentuk. Yang terakhir disebut lengket, karena karena saling melengkapi mereka dapat dikombinasikan dengan fragmen lain yang dibentuk oleh enzim restriksi yang sama atau endonuklease restriksi lainnya, yang membentuk ujung yang sama. Kombinasi fragmen dengan ujung komplementer lengket dipercepat dan distabilkan oleh enzim khusus yang disebut ligase. Jadi, jika enzim restriksi tunggal dipotong menjadi DNA dari dua spesies yang berbeda dan fragmen campuran, maka molekul DNA rekombinan yang sama sekali baru, yang tidak ada dalam kondisi alami, dapat terbentuk.

Untuk menggali fragmen DNA yang menarik bagi peneliti, maka harus dikalikan. Hal ini dapat dilakukan dengan dua metode yang berbeda, memindahkannya ke sel inang atau mengalikannya secara in vitro( in vitro).

Pengenalan fragmen DNA ke dalam sel inang menggunakan vektor

Untuk memindahkan fragmen DNA ke sel inang, konstruksi khusus biasanya digunakan, yang disebut vektor. Vektor yang paling sering digunakan adalah zat bakteri, bakteriofag, kromosom buatan bakteri dan ragi. Baru-baru ini, diusulkan untuk menggunakan kromosom buatan manusia sebagai vektor.

Pembuatan perpustakaan genom

Pembatasan DNA genomik menjadi fragmen dan kloning fragmen dengan bantuan berbagai vektor menciptakan dasar untuk pembentukan perpustakaan genomik. Untuk melakukan ini, DNA genomik dipotong atau, seperti yang mereka katakan, dicerna dengan enzim restriksi tertentu, dan fragmen yang terbentuk diklon dengan cara vektor yang berbeda, dimana metode DNA rekombinan digunakan. Perpustakaan genom harus mengandung tidak hanya gen, tapi juga semua DNA non-coding yang berada di antara gen. Karena pencernaan dengan enzim restriksi tidak lengkap, sehingga fragmen DNA dengan urutan nukleotida sebagian tumpang tindih terbentuk. Ini memfasilitasi pemulihan selanjutnya dari pola lokasi fragmen DNA asli( DNA di dalam tubuh yang hidup).Selain perpustakaan genom, ada perpustakaan cDNA.

Kloning urutan DNA dengan polymerase chain reaction( PCR)

Selain metode yang dijelaskan untuk mengkloning sekuens DNA secara in vivo, ada juga metode kloning in vitro yang telah disebut polymerase chain reaction( PCR).

Prasyarat untuk melakukan PCR adalah mengetahui urutan nukleotida yang menentukan urutan kloning. Untuk PCR, sepasang primer yang disebut harus dipra-disintesis, yang merupakan urutan singkat nukleotida yang melengkapi urutan fragmen DNA yang direplikasi.

Setelah pemisahan menjadi dua untaian fragmen DNA yang dipelajari, zat ditambahkan ke campuran reaksi yang saling terkait dengan bagian-bagian yang sesuai dari untaian ini. Kemudian mengikuti pemisahan rantai DNA yang baru terbentuk dengan menggunakan perlakuan suhu. Untuk untaian fragmen DNA yang baru terbentuk, untai komplementer selesai lagi menggunakan enzim DNA polimerase.

Hal ini dapat diulang tanpa batas waktu atau sampai nukleotida bebas habis dalam campuran reaksi, namun biasanya 20-30 siklus cukup untuk mendapatkan DNA dalam jumlah yang cukup dari fragmen yang dipelajari untuk manipulasi fragmen selanjutnya.