Molekularna genetika

Molekulska genetika je oblast genetike koja proučava nasljedive životne pojave, procese i odnose u i među molekulama.^[1][2][3] Interaktivno i difuzno pokriva interdisciplinarno područje biohemije, biofizike, biologije makromolekula i bioinformatike.

U suštini, molekulska genetika istražuje krucijalno područje prelaska neživih spojeva u živu materiju, sinteze reproducibilnih makromolekula i njihove kontrole struktura i funkcija žive supstance. To je oblast proučavanja sistema centralne dogme molekulske biologije, tj. prirode skladištenja, prepisivanja i prevođenja genetičke informacije, te regulacije i kontrole molekulskih osnova života.

Terminologija

Biohemijska genetika je skoro napušteni termin kojim se naziva oblast genetike koja se danas najčešće označava kao molekulska genetika ili molekularna genetika, po latinskom, engleskom, njemačkom^[4] i francuskom pridjevu (molecularis, molecular, molekular, moléculaire).^[1][2][3]

Do opće suglasnosti naučne zajednice o mogućnosti odvijanja životnih pojava i procesa i na razini molekula, ovaj pojam je tumačen kao:

• “Biohemijska genetika – genetička disciplina čiji predmet istraživanja obuhvata biohemijske aspekte u pojavama i procesima organskog (biološkog) nasljeđivanja. Biohemijska genetika se naročito bavi proučavanjem aktivnosti gena na nivou biohemijskih osobina živog sistema; u tom smislu ona predstavlja graničnu oblast između molekulske i fiziološke genetike. Istraživačka područja ovih naučnih grana ne mogu se oštro razgraničiti. Pojam 'biohemijska genetika' u literaturi se ponekad upotrebljava kao sinonim pojma 'molekularna genetika', a ponekad se molekularna genetika shvata i kao dio biohemijske genetike“.^[5]

Tehnike u molekulskoj genetici

Umnožavanje

Umnožavanje ili amplifikacija gena je postupak u kojem se višestruko repliciraju određeni geni ili sekvence DNK u procesu koji se zove replikacija DNK.

Polimerazna lančana reakcija

Glavni članak: PCR

Glavna genetičke komponente polimerazne lančane reskcije (PCR) su nukleotidne jedinice DNK, predlošci DNK, prajmeri i Taq polimeraza . Nukleotidi čine kalup polulanca DNK za specifične sekvence koje se umnožavaju, prajmeri su kratki lanci komplementarnih nukleotida, gdje počinje replikacija DNK, a Taq polimeraza je toplinski stabilni enzim koji skokovito pokreće proizvodnju novih molekula DNK na visokim temperaturama potrebnim za reakciju.^[6]

Kloniranje bakterijske DNK

Glavni članak: Molekulski kloniranje

Kloniranje je proces stvaranja mnogih identičnih kopija sekvence DNK. Ciljna sekvenca DNK se ubaci u klonirajući vektor. Budući da vektor potiče iz samorazmnožavajućeg virusa, plazmida ili ćelije viših organizama kada se odgovarajuće veličina sekvence DNK ubaci ciljnu DNK i fragment vektorske DNK se „ligira“ (ugradi), svojevrsnim lijepljenjem njegovih krajeva,^[7] kada se stvara molekula rekombinantne RNK. Molekule rekombinantne DNK se zatim ugrađuju i ćelije bakterijskog (obično E. coli) koje proizvode mnoštvo identičnih kopija, putem transformacije. Transformacija je mehanizam unošenja DNK kojeg posjeduju bakterije. Međutim, unutar jedne bakterije ćelije može biti klonirani samo jedna molekula rekombinantne DNK, tako da je svaki klon samo jedan umetak DNK.

Separacija i detekcija

Prilikom separacije i detekcije DNK i iRNK se izoliraju iz ćelija, a zatim identificiraju jednostavnom izolacijom. Da bi se obezbijedilo stalno snabdijevanje ćelijama za izolaciju, održavaju se odgovarajuće kulture ćelija.^[8][9]

Kulture ćelija

Glavni članak: Kultura ćelija

Kultura ćelija za molekulsko genetičke postupke, uzgaja se u veštačkim uslovima. Neke vrste ćelija rastu dobro u kulturama, kao što su ćelije kože, ali druge nisu toliko produktivne u kulturama. Postoje različite tehnike za svaki tip ćelija, od kojih su neke tek nedavno proglašene podobnim za podsticanje rasta matičnih i nervnih ćelija. Kulture za molekulsku genetiku su zamrznute u cilju očuvanja svih uzorka kopija gena i odmrzavaju se samo kada je to potrebno. Ovo omogućava stabilno snabdevanje ćelijama.

Izolacija DNK

Izolacije i ekstrakcija DNK se obavlja iz čistih ćelijskih formi. DNK se prvo odvoji od ostalih ćelijskih sastojaka, kao što su proteini, RNK i lipidi. To se radi postavljanjem odabrane ćelije u tubi sa rastvorom koji, mehanički i hemijski, otvara ćelije. Ovaj rastvor sadrži enzime, hemikalije i soli, koje razgrađuju sve sastojke ćelije, osim DNK. Sadrži enzime za rastvaranje proteina, hemikalije da uništi sve prisutne molekule RNK, a soli da pomognu ekstrakciju DNK iz rastvora. Zatim se DNK izdvaja iz rastvora, pomoću obrtanja u centrifugi, što omogućava da se DNK prikupi u dnu tube. Nakon ovog ciklusa u centrifugi, rastvor se odlije i DNK resuspendira u drugom rastvoru, koji čini DNK lahko obradivom u budućim postupcima. To rezultira dobijanjem koncentriranog uzorka DNK, koji sadrži na hiljade kopija svakog gena. Za projekte velikih razmjera, kao što je sekvenciranje ljudskog genoma, sav ovaj posao obavljaju roboti.^[8][10]

Izolacija iRNK

DNK koja kodira sintezu proteina je konačni cilj za naučnike i DNK koja ima sposobnost ekspresije dobija se izolacijom iRNK (informacijska RNK). Prvo, laboratorije koristite normalne ćelijske modifikacija iRNK, kojoj se dodaje do 200 adeninskih nukleotida na kraju molekule (poli (A) rep). Kada je to dodano, ćelija puca i njen sadržaj je izloženi sintetskim kapljicama koje su obložene timinskim nizom nukleotida. Budući da su adenin i timin komplementarni par u lancu DNK, poli (A) rep i sintetske kapljice međusobno se privlače i kada je vežu u ovom procesu komponente ćelije mogu se isprati bez skidanja iRNK. Kada se iRNK izoloirana, reverzna transkriptaza je je pretvara u jednolančanu DNK, od koje se proizvodi stabilna dvostruka (puna) molekula DNK, pomoću DNK polimeraze. Komplementarna DNK (cDNK) je mnogo stabilnija nego iRNK, pa se tako dobije potpuni lanac DNK, čije se sekvence fenotipski ispoljavaju, što je glavni ccilj cjelokupnog postupka.^[8][11]

Genetički snimci

Genetika unaprijed

Glavni članak: Genetika unaprijed

Ova tehnika se koristi za identifikaciju koji su geni ili genetička mutacije proizvela određeni fenotip. Za ubrzavanja tog procesa, obično se koristi neki od mutagenih agenasa . Kada su mutanti su izolirani, u mutirani geni mogu biti i molekulski identificirani.

Zasićena genetika unaprijed je metoda za tretiranje organizama mutagenim agenssom, a zatim se snimaju odnosi u potomstvu organizma za određene fenotipove. Ovaj tip genetičkog skrininga se koristi za pronalaženje i identifikaciju svih gena koji su uključeni u kontrolu određenog svojstva.^[12]

Reverzna genetika – Genetika unazad

Glavni članak: Genetika unazad

Genetikom unazad određuje se fenotip koji rezultira iz posebno konstruiranog gena. U nekim organizama, kao što su kvasac i miševi, moguće je izazvati deleciju određenog gena, stvarajući ono što je poznato kao genski "nokaut" – laboratorijsko poreklo tzv "nokaut miševa" za dalje proučavanje . Drugim riječima, ovaj proces uključuje stvaranje transgenih organizama koji ne ispoljavaju gen od interesa. Alternativne metode obrnutih genetičkih istraživanja uključuju slučajne indukcije delecija DNK i naknadni izbor za delecije u genu od interesa, kao i primjenu nterferencije RNK.^[13]

Genska terapija

Glavni članak: Genska terapija

Mutacija u genu može uzrokovati poremećaje kodiranih proteina i ćelija koje se na njih oslanjaju . Promjene koje se odnose na genske mutacije nazivaju se genetski poremećaji. Međutim, mijenjanje gena pacijenta ponekad može se dobro iskoristiti za liječenje ili izliječenje bolesti. Genska terapija može se koristiti za zamjenu mutiranih gena njegovim ispravnim kopijama, da deaktivira ili nokautiranje ispoljavanja neispravnog gena ili se unosi strani gen u tijelo da pomogne u borbi protiv bolesti. Glavne bolesti koje se mogu tretirati sa genskom terapijom uključuju virusne infekcija, rak i nasljedna oboljenja, uključujući i poremećaja imunskog sistema.^[8][14][15] Genska terapija unosi nedostajuću kopiju, mutirane ili željeni gene preko modificiranih virusa ili vektora do ciljne ćelije pacijenta, tako da je moguća proizvodnja djelotvorne forma proteina i ugrađeni u tijelo. Ovi vektori su često siRNK. Liječenje može biti in vivo ili ex vivo.^[16] Terapija mora da se ponovi nekoliko puta da bi pogođeni pacijent stalno biti stabilan, jer ponovna podjela ćelija i smrt ćelija polahko nasumično odabiru odnosi funkcionalnih i mutant nih gena. Genska terapija je privlačan alternativni pristupa nekim lijekovima, jer popravlja osnovni genetički defekt koristeći vlastite ćelije pacijenata sa minimalnim nuspojavama.^[17][18][19] Genska terapija je još u razvoju i uglavnom se koristi u istraživačkim tretmanima. Svi eksperimenti i proizvodi su pod kontrolom odgovarajućih državnih organa. U Bosni i Hercegovini nije aktualna, a nema takvih podataka o eventualnom tretmanu bh. građana u inozemstvu. Klasična genska terapije obično zahtijeva efikasan transfer kloniranih gena u bolesne ćelije, tako da se uvedeni geni izražavaju na dovoljno visokom nivou da mogu promijeniti fiziologiju pacijenta. Postoji nekoliko različitih fizičkih i bioloških metode koje se mogu koristiti za prijenos gena u ljudske ćelije. Veličina fragmenta DNK koji se može prenijeti je vrlo ograničena,a preneseni gen često nije konvencionalni gen. Horizontalni prijenos gena je transfer genetičg materijala iz jedne ćelije u drugu koja nije njen potomak. Vještački horizontalni prijenos gena je oblik genetičkog inženjerstva.^[20][21][22]

Projekt ljudskog genoma

Glavni članak: Projekt ljudskog genoma

Projekt ljudskog genoma (Human   Genome Project)  je molekulskogenetički  projekt koji je počeo 1990-ih, a  i predviđeno  je da se  završi  za petnaest godinai. Međutim, zahvaljujući  napretku  tehnoloških dostignuća, projekat  je  neplanirano uznapredovao  i  završen je  u 2003. godini, u   samo trinaest godina. Pokrenule su ga   Sjedinjene Američke Države,  Ministarstvo energetike i Nacionalni  instituta za zdravlje,  u nastojanju da dostigne šest postavljenih ciljeva. Ovi ciljevi su:

1. Identifikaciji 20.000 do 25.000 gena u ljudskoj DNK (iako je po prvim procjenama bilo oko 100.000 gena),
2. Određivanje sekvence hemijskih parova baza u ljudskoj DNK,
3. Čuvanje svih pronađenih informacije u bazama podataka,
4. Poboljšanje alata za analizu podataka,
5. Transfer tehnologija u privatnom sektoru, i
6. Rješavanje etičkih, pravnih i socijalnih pitanja (ELSI) koja mogu nastati iz projekata. .^[23]

Projekat se ostvarivao u osamnaest različitih zemalja, a glavninu posla su obavile : SAD, Japan, Francuska, Njemačka i Velika Britanija. Zajednički napor rezultirao je otkrićem mnogih prednosti molekularne genetike. Otkrićau oblasti molekulske medicine, novih izvora energije i aplikacija na okoliš, DNK forenzike i uzgoja stoke, samo su neke od prednosti koje može pružiti molekulska genetika.^[23]

Također pogledajte

• Molekula
• Atom
• Genetika
• Bakteriophag
• Reparacija DNK
• Replikacija DNK
• Epigenetika
• Gensko mapiranje
• Genetički kod
• Genetička recombinacija
• Historija genetike
• Mutageneza
• Mutacija
• Ekspresija gena
• Regulacija ekspresije gena
• Semikonzervativna replikacija
• Transformacija (genetika)

Reference

1. Alberts B. et al. (1983): Molecular biology of the cell. Garland Publishing, Inc., New York & London, ISBN 0-8240-7283-9.
2. King R. C., Stransfield W. D. (1998): Dictionary of genetics. Oxford University Press, New York, Oxford, ISBN 0-19-50944-1-7; ISBN 0-19-509442-5.
3. Hadžiselimović R., Pojskić N. (2005): Uvod u humanu imunogenetiku. Institut za genetičko inženjerstvo i biotehnologiju (INGEB), Sarajevo, ISBN 9958-9344-3-4.
4. http://www.mpg.de/151820/molekulare_genetik
5. Berberović Lj., Hadžiselimović R. (1986): Rječnik genetike. Svjetlost, Sarajevo, ISBN 86-01-00723-6.
6. Ramsden, Jeremy J (2009). Bioinformatics: An Introduction. New York: Springer. str. 191. ISBN 978-1-84800-256-2.
7. NCBI
8. Bajrović K, Jevrić-Čaušević A., Hadžiselimović R., Eds. (2005). Uvod u genetičko inženjerstvo i biotehnologiju. Institut za genetičko inženjerstvo i biotehnologiju (INGEB) Sarajevo. ISBN 9958-9344-1-8.
9. Kapur Pojskić L. (2014). Uvod u genetičko inženjerstvo i biotehnologiju, 2. izdanje. Institut za genetičko inženjerstvo i biotehnologiju (INGEB), Sarajevo. ISBN 978-9958-9344-8-3.
10. "Arhivirana kopija" (PDF). Arhivirano s originala (PDF), 2. 4. 2015. Pristupljeno 3. 9. 2016.
11. NCBI
    • Molecular Techniques Arhivirano 29. 1. 2007. na Wayback Machine
12. "Arhivirana kopija" (PDF). Arhivirano s originala (PDF), 13. 12. 2014. Pristupljeno 3. 9. 2016.
13. Jeremy W. Dale and Simon F. Park. 2010. Molecular Genetics of Bacteria, 5th Edition ISBN 978-0470741849,
14. "Arhivirana kopija". Arhivirano s originala, 6. 4. 2016. Pristupljeno 3. 9. 2016.
15. https://clinicaltrials.gov/search?term=%22gene%20therapy%22
16. Berg, Jeremy M., John L. Tymoczko, and Lubert Stryer. "Chapter 5: Exploring Genes and Genomes." Biochemistry. 7th ed. New York City: W.H. Freeman, 2012. N. pag. Print.
17. Herrera-Carrillo E, Berkhout B. Bone Marrow Gene Therapy for HIV/AIDS. Viruses 2015;7(7):3910-36.
18. http://ghr.nlm.nih.gov/handbook/therapy/availability
19. http://ghr.nlm.nih.gov/handbook/therapy/safety
20. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/bv.fcgi?rid=hmg.chapter.2858 Human Molecular Genetics
21. Learn Genetics,
22. http://www.medem.com/medlb/article_detaillb.cfm?article_ID=ZZZBLSC7W7C&sub_cat=203^{[mrtav link]} Medem]
23. "Human Genome". Arhivirano s originala, 15. 3. 2008. Pristupljeno 3. 9. 2016.

Vanjski linkovi

NCBI: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/About/primer/genetics_molecular.html

• [1]