Молекулярная биология для биоинформатиков Академический университет Володина Наталья Яковлевна

Интерференция РНК и регуляция экспрессии генов

Andrew Z. FireCraig C. Mello Нобелевская премия по физиологии и медицине 2006 год "RNA interference – gene silencing by double-stranded RNA"

Предположение Fire & Mello: Двуцепочечные РНК (dsRNA) – запускающий механизм (триггер) системы интерференции РНК.

Интерференция РНК – это замолкание (сайленсинг) генов, обеспечиваемое двуцепочечными молекулами РНК (dsРНК). Явление интерференции РНК открыто в 1998 г. у Nematoda (Fire et al., 1998)

dsРНК в раз более эффективно активируют систему интерференции РНК, по сравнению с ssРНК. Инъекция в C.elegans РНК мышечного белка

Fire A., Xu S.Q., Montgomery M.K., Kostas S.A., Driver S.E., Mello C.C. Potent and specific genetic interference by double-stranded RNA in Caenorhabditis elegans. Nature 391, 806–811 (1998). Эффект генетического сайленсинга посредством интерференции РНК: распространяется в тканях организма (!) наследуется (!!!)

Механизм интерференции РНК при исследовании интерференции РНК у растений обнаружены короткие молекулы РНК, маркирующие ген, подверженный сайленсингу; в условиях in vitro воспроизведены биохимические реакции интерференции РНК. Малые интерферирующие РНК (siRNAs – short interfering RNAs) – класс нуклеотидных двуцепочечных РНК, образующихся из более длинных двуцепочечных РНК.

Общая схема регуляции генетической экспрессии за счет интерференции РНК (по Novina, Sharp, 2004)

Функции siРНК 1.Сайленсинг мобильных генетических элементов; 2.Сайленсинг гетерохроматиновых повторов; 3.Сайленсинг генетического материала вирусного происхождения; 4.Ограничение степени экспрессии гена в определенных тканях.

При выделение фракций коротких РНК (19-25 нуклеотидов) из различных организмов обнаружен еще один класс малых РНК – микроРНК. МикроРНК (miRNAs - micro RNAs) – класс нуклеотидных одноцепочечных РНК, закодированных в уникальных генах геномов многоклеточных организмов.

Схема образования miРНК (по Novina, Sharp, 2004)

Функция miРНК Обеспечивают сайленсинг различных генов, обычно, за счет частично комплементарного связывания с мРНК, в результате которого блокируется ее трансляция. один тип miРНК может регулировать трансляцию мРНК более 100 различных генов; степень ингибирования зависит от количества связывающихся miРНК (в 3UTR мРНК содержится несколько сайтов связывания).

Продукт dsРНК, закодированных в уникальных генах геномов многоклеточных организмов (>1% от всех генов у человека); мРНК может не разрушаться; Один тип miРНК регулирует разные гены. Продукт dsРНК, образующихся в результате транскрипции транспозонов, гетерохроматиновых повторов или генетического материала вирусного происхождения ; мРНК разрушается; Один тип siРНК обычно регулирует только один тип мРНК. miРНКsiРНК Отличия miРНК и siРНК

созданы библиотеки коротких РНК и ДНК- векторов, кодирующих короткие РНК, мишенями которых является около 8000 генов генома человека; внедряется в практику терапевтическое применение синтетических коротких РНК для целенаправленного подавления генетической экспрессии при некоторых заболеваниях.

Основы генетики и медицинской генетики

Введение в генетику Что такое гены? - физические и функциональные детерминанты признаков, которые передаются от одного поколения к другому Гены были открыты в 1860 годах словацким монахом Грегором Менделем. Он пытался ответить на след. вопрос: передаются ли признаки от одного из родителей или от обоих?

Эксперименты с растениями гороха Мендель открыл, что гены могут быть переданы в одной из 2 форм (аллелей)– доминантной или рецессивной Доминантная форма будет проявляться в фенотипе

ДНК – физический носитель генетической информации ДНК была открыта в 20 веке ДНК содержит те самые физические гены, открытые Менделем У каждого организма – 1 аллель наследуется от отца и 1 - от матери Гомозигота – АА или аа Гетерозигота – Аа При скрещивании 2 гетерозигот получается расщепление 3:1

Мутации ДНК – это последовательность нуклеотидов Что происходит когда эта последовательность изменяется Мутация Это и приводит к образованию различных аллелей

Хорошие, плохие и молчащие Мутации могут быть нескольких видов Хорошие: Плохие: Нейтральные: Мутации могут улучшить выживаемость организма. Например мутации в гене серповидно-клеточной анемии приводят к устойчивости к малярии. Мутации приводят к значительному вреду или даже гибели организма Например, гемофилия Мутации не оказывают никакого влияния Campbell, Biology, 5 th edition, p. 255

I. ГЕНОМНЫЕ Диплоидный набор 2n=46 Гаплоидный 1n=23 Полиплоидия (триплоидия 3n=69; тетраплоидия 4n=92) Анеуплоидия (трисомия 2n=47; моносомия 2n=45 II. ХРОМОСОМНЫЕ (делеции, дупликации, инсерции инверсии, транслокации) III ГЕННЫЕ Точечные (сайтовые) мутации (нейтральные –SNP,нонсенс, миссенс Внутригенные перестройки (делеции, дупликации, инверсии, инсерции) Динамические мутации Перемещение мобильных элементов(Alu по х Line( 6 500по х

Гены организованы в хромосомы Хромосомы – нитеподобные структуры, находящиеся в ядре клетки и содержащие 1 молекулу ДНК. Разные организмы могут иметь разное количество хромосом (парное (2n) – у организмов с половым размножением). Томас Морган (1920) – Нашел косвенное доказательство существования хромосом путем экспериментов с дрозофилой

Сцепленные гены и последовательность генов. Различные признаки (гены) могут быть сцеплены, т.е. расположены на одной хромосоме. Морган предположил, что чем ближе гены были расположены на одной хромосоме, тем более часто они наследовались совместно

Порядок генов на хромосоме? Mutant b, mutant vg Normal fly X 17% progeny have only one mutation Mutant b, mutant cn Normal fly X 9% progeny have only one mutation Mutant vg, mutant cn Normal fly X 8% progeny have only one mutation The genes vg and b are farthest apart from each other. The gene cn is close to both vg and b.

Порядок генов на хромосоме? bcnvg

XXI век- век генетики Геном Внешняясреда Основы медицинской генетики

Медицинская генетика (МГ) - наука о роли наследственности в патологии человека, закономерностях передачи наследственных болезней, их диагностике, лечении, профилактике. Клиническая генетика прикладная МГ, направленная на применение достижений генетики и МГ для решения клинических проблем пациентов и их семей. Клиническая генетика - прикладная МГ, направленная на применение достижений генетики и МГ для решения клинических проблем пациентов и их семей.

Установление наследственного характера признака Установление наследственного характера признака Выяснение типа передачи НБ Выяснение типа передачи НБ Анализ пенетрантности и экспрессивности признака Анализ пенетрантности и экспрессивности признака Сцепление признака с генетическими и молекулярными маркерами Сцепление признака с генетическими и молекулярными маркерами Медико-генетическое консультирование Медико-генетическое консультирование Пробанд – больной или его родственник, с которого начинается составление родословной.

Cимволы, используемые в МГ при составлении родословных

Аутосомно-доминантный (ахондроплазия, синдром Марфана, нейрофиброматоз, миотоническая дистрофия, хорея Гентингтона) – популяционная частота - 0,5-1,0% Прослеживается в родословных только по вертикали Прослеживается в родословных только по вертикали Соотношение больных и здоровых детей 1:1 Соотношение больных и здоровых детей 1:1 Здоровые дети от больных родителей имеют здоровое потомство Здоровые дети от больных родителей имеют здоровое потомство Соотношение больных мальчиков и девочек одинаково Соотношение больных мальчиков и девочек одинаково Пациенты независимо от пола одинаково часто передают Пациенты независимо от пола одинаково часто передают болезнь болезнь У гомозигот болезнь нередко летальна У гомозигот болезнь нередко летальна Болезнь - часто результат спонтанных мутаций Болезнь - часто результат спонтанных мутаций

Аутосомно-рецессивный (муковисцидоз, ФКУ, СМА, АГС, мукополисахаридозы) - популяционная частота - 0,25% АГС, мукополисахаридозы) - популяционная частота - 0,25% Родители клинически здоровы Родители клинически здоровы Соотношение больных и здоровых детей 1:3 Соотношение больных и здоровых детей 1:3 Если больны оба супруга – дети всегда больные Если больны оба супруга – дети всегда больные Оба пола поражаются одинаково часто Оба пола поражаются одинаково часто Не исключено кровное родство супругов Не исключено кровное родство супругов В браке больного и носителя рождается 50% больных, В браке больного и носителя рождается 50% больных, больного и здорового –рождаются только здоровые больного и здорового –рождаются только здоровые

Доминантное наследование (витамин D резистентный рахит) Поражаются мальчики в 2 раза чаще, чем девочки Поражаются мальчики в 2 раза чаще, чем девочки Женщины болеют менее тяжело, передают болезнь 50% сыновьям и 50% дочерям Женщины болеют менее тяжело, передают болезнь 50% сыновьям и 50% дочерям Больные мужчины передают болезнь всем дочерям Больные мужчины передают болезнь всем дочерям

Х-сцепленные заболевания - популяционная частота 0,25% Рецессивное наследование (миодистрофия Дюшенна, гемофилии, синдромы Мартина-Белла, Леш-Нихана, Хантера) Болеют только мальчики, Болеют только мальчики, 2/3 случаев наследуются от матерей-носительниц, 1/3 - спонтанных 2/3 случаев наследуются от матерей-носительниц, 1/3 - спонтанных Сестры больных братьев в 50% - носители мутации Сестры больных братьев в 50% - носители мутации Здоровые мужчины не передают заболевание Здоровые мужчины не передают заболевание

Y-сцепленные (нарушения сперматогенеза, рост тела, конечностей, зубов) Митохондриальные болезни (атрофия зрительного нерва Лебера, кардиомиопатии, миоклоническая эпилепсия, митохондриальная миопатия, прогрессирующая офтальмоплегия ) Болезнь передается только по материнской линии Болезнь передается только по материнской линии Болеют мальчики и девочки Болеют мальчики и девочки Больные мужчины не передают болезнь потомству Больные мужчины не передают болезнь потомству

ВОЗ, Европейская Ассоциация перинатальной медицины

Пренатальная диагностика - научно-практическое направление медицинской генетики Научные познание механизмов биологии раннего развития человека, включая гаметогенез, эмбриогенез и фетальный периодПрактические эффективная диагностика, профилактика и лечение наследственных и врожденных болезней Задачи пренатальной диагностики

Методы оценки состояния плода ПРЯМЫЕ (обследование плода) НЕПРЯМЫЕ (обследование беременной) 1.Клиническое (акушерско-гинекологическое) 2. Бактерио- и серологическое 3. Медико-генетическое · генеалогическое · цитогенетическое · молекулярно-биологическое 4. Анализ эмбрионспецифических белков · a -фетопротеин · хорионический гонадотропин · эстриол · другие НЕИНВАЗИВНЫЕ ИНВАЗИВНЫЕ 1.Ультразвуковое сканирование 2.Электрокардиография 3.Рентгенография ПОЛУЧЕНИЕ ПЛОДНОГО МАТЕРИАЛА 1. Хорионбиопсия (I триместр) 2. Плацентобиопсия (II триместр) 3. Амниоцентез · ранний (13-14 н.б.) · обычный (15-22 н.б.) Кордоцентез (II-III триместр) Фетоскопия (II-III триместр) Биопсия тканей плода (кожа, мышцы,печень, селезенка и пр.) (II-III триместр) ЛАБОРАТОРНЫЕ 1. Цитогенетические 2. Молекулярно-генетические 3. Биохимические 4. Иммуноцитохимические

I триместр беременности (период органогенеза) Хорионбиопсия Трансцервикальный способ (7-12 недели) Трансабдоминальный способ (с 9/10 недели) II триместр беременности (плодный период) Инвазивные методы пренатальной диагностики Доимплантационный период Преконцепционная диагностика (полярные тельца) Доимплантационная диагностика (бластомеры или трофобласт) Методы ЭКО Амниоцентез (с 14 недели) Кордоцентез (с 20 недели) Плацентобиопсия (14-26 недели)

1.Медико-генетическое консультирование 2.УЗ-скрининг 3.Биохимический скрининг 4.Получение плодного материала 5.Лабораторная диагностика цитогенетическая молекулярная биохимическая 6.Рекомендации по результатам ПД