Молекулярная биология для биоинформатиков

• Академический университет

• Ефимова Ольга Алексеевна

Интерференция РНК и регуляция

экспрессии генов

Andrew Z. Fire Craig 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 10-100 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 21-22 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

19-25 нуклеотидных одноцепочечных РНК,

закодированных в уникальных генах

геномов многоклеточных организмов.

Схема образования miРНК(по Novina, Sharp, 2004)

Функция miРНКОбеспечивают 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

3’UTR 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.

miРНК siРНК

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

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, 5th edition, p. 255

Классификация мутацийI. ГЕНОМНЫЕ • Диплоидный набор 2n=46• Гаплоидный 1n=23• Полиплоидия (триплоидия 3n=69; тетраплоидия 4n=92)• Анеуплоидия (трисомия 2n=47; моносомия 2n=45II. 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 -300-500по х100

000 Line( 6 500по х 50 000

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 flyX 17% progeny

have only one mutation

Mutant b, mutant cn

Normal flyX

9% progeny have only one mutation

Mutant vg, mutant cn

Normal flyX

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?

b cn vg

XXI XXI век- век генетикивек- век генетики

ГеномГеномВнешняя Внешняя

средасреда

Основы медицинской генетики

Генетика Генетика - наука о наследственности и - наука о наследственности и изменчивости изменчивости

Медицинская генетикаМедицинская генетика (МГ) - наука о роли (МГ) - наука о роли наследственности в патологии человека, наследственности в патологии человека, закономерностях передачи наследственных закономерностях передачи наследственных болезней, их диагностике, лечении, болезней, их диагностике, лечении, профилактике.профилактике.

Клиническая генетика Клиническая генетика - прикладная МГ, прикладная МГ, направленная на применение достижений направленная на применение достижений генетики и МГ для решения клинических генетики и МГ для решения клинических проблем пациентов и их семей. проблем пациентов и их семей.

Генеалогический анализ –метод родословныхГенеалогический анализ –метод родословных

• Установление наследственного характера Установление наследственного характера признака признака

• Выяснение типа передачи НБВыяснение типа передачи НБ• Анализ пенетрантности и экспрессивности Анализ пенетрантности и экспрессивности

признакапризнака• Сцепление признака с генетическими и Сцепление признака с генетическими и

молекулярными маркерамимолекулярными маркерами• Медико-генетическое консультированиеМедико-генетическое консультирование

ПробандПробанд – больной или его родственник, – больной или его родственник, с с

которого начинается составлениекоторого начинается составление родословной.родословной.

Cимволы, используемые в МГ при Cимволы, используемые в МГ при составлении родословныхсоставлении родословных

Аутосомно-доминантный Аутосомно-доминантный ((ахондроплазия, синдром Марфана, ахондроплазия, синдром Марфана, нейрофиброматоз, миотоническая дистрофия, хорея нейрофиброматоз, миотоническая дистрофия, хорея Гентингтона)Гентингтона) – популяционная частота - 0,5-1,0% – популяционная частота - 0,5-1,0%

• Прослеживается в родословных только по вертикалиПрослеживается в родословных только по вертикали• Соотношение больных и здоровых детей 1:1Соотношение больных и здоровых детей 1:1• Здоровые дети от больных родителей имеют здоровое потомствоЗдоровые дети от больных родителей имеют здоровое потомство• Соотношение больных мальчиков и девочек одинаковоСоотношение больных мальчиков и девочек одинаково• Пациенты независимо от пола одинаково часто передаютПациенты независимо от пола одинаково часто передают болезньболезнь• У гомозигот болезнь нередко летальнаУ гомозигот болезнь нередко летальна• Болезнь - часто результат спонтанных мутацийБолезнь - часто результат спонтанных мутаций

Другие типы наследованияДругие типы наследования

Аутосомно-рецессивный Аутосомно-рецессивный ((муковисцидоз, ФКУ, СМА, муковисцидоз, ФКУ, СМА, АГС, мукополисахаридозы) - АГС, мукополисахаридозы) - популяционная частота - популяционная частота - 0,25% 0,25% • Родители клинически здоровыРодители клинически здоровы• Соотношение больных и здоровых детей 1:3Соотношение больных и здоровых детей 1:3• Если больны оба супруга – дети всегда больныеЕсли больны оба супруга – дети всегда больные• Оба пола поражаются одинаково частоОба пола поражаются одинаково часто• Не исключено кровное родство супруговНе 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 здоровыебольного и здорового –рождаются только здоровые

Х-сцепленные заболеванияХ-сцепленные заболевания- популяционная частота 0,25%- популяционная частота 0,25%

Доминантное наследованиеДоминантное наследование ((витамин витамин DD резистентный резистентный рахит) рахит)

• Поражаются мальчики в 2 раза чаще, чем девочкиПоражаются мальчики в 2 раза чаще, чем девочки• Женщины болеют менее тяжело, передают болезнь Женщины болеют менее тяжело, передают болезнь

50% сыновьям и 50% дочерям50% сыновьям и 50% дочерям• Больные мужчины передают болезнь всем дочерямБольные мужчины передают болезнь всем дочерям

Х-сцепленные заболеванияХ-сцепленные заболевания- популяционная частота 0,25%- популяционная частота 0,25%

Рецессивное наследованиеРецессивное наследование ((миодистрофия Дюшенна, миодистрофия Дюшенна, гемофилии, синдромы Мартина-Белла, Леш-Нихана, гемофилии, синдромы Мартина-Белла, Леш-Нихана, Хантера) Хантера)

• Болеют только мальчики,Болеют только мальчики,• 2/3 случаев наследуются от матерей-носительниц, 1/3 - 2/3 случаев наследуются от матерей-носительниц, 1/3 -

спонтанныхспонтанных• Сестры больных братьев в 50% - носители мутацииСестры больных братьев в 50% - носители мутации• Здоровые мужчины не передают заболеваниеЗдоровые мужчины не передают заболевание

Другие типы наследованияДругие типы наследования

Y-Y-сцепленныесцепленные ((нарушения сперматогенеза, рост нарушения сперматогенеза, рост тела, конечностей, зубовтела, конечностей, зубов))

Митохондриальные болезниМитохондриальные болезни ( (атрофия атрофия зрительного нерва Лебера, кардиомиопатии, зрительного нерва Лебера, кардиомиопатии, миоклоническая эпилепсия, митохондриальная миоклоническая эпилепсия, митохондриальная миопатия, прогрессирующая офтальмоплегиямиопатия, прогрессирующая офтальмоплегия))

• Болезнь передается только по материнской линииБолезнь передается только по материнской линии• Болеют мальчики и девочкиБолеют мальчики и девочки• Больные мужчины не передают болезнь потомствуБольные мужчины не передают болезнь потомству

Пренатальная диагностика (дородовая)

«Совокупность всех методов диагностики состояния плода, которая направлена на выявление врожденных дефектов и любых аномалий, диагностируемых при рождении»

ВОЗ, Европейская Ассоциация перинатальной медицины

Пренатальная диагностикаПренатальная диагностика - - научно-практическое направление научно-практическое направление

медицинской генетикимедицинской генетики

Научные Научные

познание механизмов биологии раннего развития человека, включая гаметогенез, эмбриогенез и фетальный период

ПрактическиеПрактическиеэффективная диагностика, профилактика и лечение наследственных и врожденных болезней

Задачи пренатальной диагностики Задачи пренатальной диагностики

Методы оценки состояния плодаМетоды оценки состояния плодаПРЯМЫЕ

(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)

4.

5.

6.

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)

Составляющие ПД

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

ДОЛЯ МОНОГЕННЫХ ЗАБОЛЕВАНИЙ ДОЛЯ МОНОГЕННЫХ ЗАБОЛЕВАНИЙ В ПРЕНАТАЛЬНОЙ ДИАГНОСТИКЕВ ПРЕНАТАЛЬНОЙ ДИАГНОСТИКЕ

НИИАГ им. Д.О.Отта, Санкт-Петербург

Муковисцидоз66%Фенилкетонурия

11%

Миодистрофия Дюшенна/Беккера

10%

Гемофилия А10%

Болезнь Верднига - Гоффмана

0,1%Талассемия

0,3% Хорея Гентингтона

0,1%

Болезнь Хантера1%

Синдром ломкой Х-хромосомы

1%Гемофилия В1%

ПД хромомсомных

болезней86%

ПД генных

болезней14%

ПРЕДИКТИВНАЯ МЕДИЦИНА (ПМ)

1.Раздел молекулярной медицины, направленный на досимптоматическое выявление лиц с высокой наследственной предрасположенностью к МФЗ c целью своевременной (упреждающей) профилактики заболеваний2. Отличительные особенности ПМ: - индивидуальный характер - профилактическая направленность3. Методическая основа ПМ – тестирование генов-маркеров, ассоциированных с МФЗ, т.н. генов «предрасположенности»

4.Генетический паспорт - индивидуальная база ДНК-данных, отражающая уникальные генетические особенности каждого человека, его наследственную предрасположенность к тем или иным наследственным и МФЗ