8.4. Прямой анализ днк и выявление мутаций

Когда в результате анализа сцепления предполагаемое место гена на хромосоме определено, это означает всего лишь, что мы знаем, где находится данный ген, но этого недостаточно для того, чтобы понять механизмы изучаемого заболевания или типа поведения. Главная задача исследователей - не установить, где расположен ген, а понять, как он работает, и как факторы среды могут влиять на формирование изучаемой характеристики. До недавнего времени такая задача вообще не имела решения в рамках тех генетико-эпидемиологических подходов, которыми пользовалась психогенетика (см. предыдущую тему). Сейчас положение в корне изменилось: современные молекулярно-генетические методы позволяют непосредственно изучать тот участок молекулы ДНК, в котором расположен ген, связанный с контролем поведенческого признака. Гораздо меньшие возможности существуют пока для того, чтобы изучать, как среда влияет на работу гена.           Сейчас коротко опишем некоторые методы, которые применяются при непосредственном анализе ДНК. Вначале рассмотрим некоторые основные достижения генетики последних лет, которые создали предпосылки для массового использования молекулярно-генетических методов.           Осуществление проекта "Геном человека" было бы невозможно без применения методов генетической инженерии. Это направление в генетике возникло в начале 70-х гг. В его основе лежит методология конструирования и получения рекомбинантных ДНК. Рекомбинантными называются молекулы ДНК, которые получаются путем объединения in vitro (в пробирке) чужеродных фрагментов ДНК, которые в природе не встречаются. При этом применяются методы обратной транскрипции, позволяющие с помощью особого фермента (обратной транскриптазы) на основе фрагментов молекулы РНК получать комплементарные фрагменты ДНК. Напомним, что при синтезе белка с гена считывается информация в направлении ДНК —> РНК. При обратной транскрипции процесс идет в противоположном направлении.           Подлинную революцию в изучении генома совершило открытие в 1983 г. полимеразной цепной реакции (ПЦР). Ее автору, К. Муллису в 1993 г. была присуждена Нобелевская премия в области биологии и медицины. Метод ПЦР позволяет тиражировать in vitro фрагменты ДНК в неограниченном количестве, при этом в качестве исходного материала достаточно минимального количества ДНК. Процесс амплификации ДНК состоит из повторяющихся циклов, каждый из которых включает три стадии: денатурации (получение одноцепочечных фрагментов ДНК), отжига (присоединение праймеров к комплементарным последовательностям одноцепочечных молекул) и синтеза (рис. 8.7).           Эти и некоторые другие методы генетической инженерии лежат в основе молекулярно-генетической диагностики. Коротко остановимся на некоторых этапах молекулярно-генетических исследований.

• Для начала необходимо получить образцы ДНК для анализа. Исходным материалом для получения ДНК могут служить любые клетки организма, содержащие ядро. Чаще всего используют лейкоциты периферической крови. Для одного анализа необходимо от нескольких нанограммов до нескольких микрограммов ДНК. Для получения такого количества ДНК потребуется не более 1 мл крови. Для некоторых анализов достаточно всего одной капли крови. Вся ДНК клетки называется геномной ДНК, поскольку содержит весь геном. Часто для анализа требуются не вся ДНК, а лишь определенные ее фрагменты, в которых расположены изучаемые гены.

• Для проведения анализа необходимо иметь достаточное количество ДНК. Эта задача сейчас решается с помощью описанной выше полимеразной цепной реакции (ПЦР).

• Необходимым этапом является также рестрикция (разрезание) ДНК под действием специальных ферментов (рестриктаз), которые способны распознавать специфические короткие (4-10 пар нуклеотидов) последовательности. Каждая рестриктаза разрезает цепь ДНК в строго определенном месте. В результате действия каждой рестриктазы образуется специфичный для нее набор фрагментов различной длины.

• Далее смесь фрагментов подвергают электрофорезу в специальном геле. В зависимости от своей длины фрагменты движутся в геле с различной скоростью. По окончании электрофореза фрагменты ДНК занимают каждый определенное положение в виде полосы, однако, поскольку размер генома велик, полосы после электрофореза расположены настолько тесно, что их невозможно различить.

• Чтобы выявить специфические фрагменты ДНК, проводят еще одну процедуру, которая называется блот-гибридизацией по Саузерну (рис. 8.8). Эта методика состоит из нескольких этапов и приводит к получению четкой картины фрагментов ДНК, напоминающей штрих-код (рис. 8.9).

Для обнаружения конкретных мутаций проводят секвенирование ДНК, т.е. определение точной последовательности пар нуклеотидов в ДНК. Существуют различные модификации описанных методов, однако главной целью работы в любом случае является получение максимально возможной информации о строении гена.