Микрочипы – новый рубеж в исследовании экспрессии генома
В последние годы появились принципиально новые экспериментальные технологии, позволяющие одновременно следить за динамикой экспрессии сотен, а порой и тысяч генов в ходе функционирования и развития клеток. И здесь в первую очередь следует отметить технологию так называемых микрочипов. В 2000 году, выступая с традиционным обращением к американскому народу, президент США отметил, что биологические чипы станут одним из ведущих направлений в развитии биологии и медицины XXI столетия. В чем же причина проявления столь жгучего интереса к биочипам?
История биочипов началась еще в конце 80–х годов, когда исследователи сразу трех стан (Югославии, США и СССР) опубликовали первые результаты работ по оценкам возможности применения биочипов для анализа ДНК. В нашей стране ведущая роль в разработке данных технологий принадлежит Институту молекулярной биологии им. В. А. Энгельгардта РАН (директор академик А. Д. Мирзабе–ков). Спустя 10 лет в США было объявлено о начале проекта по выпуску на рынок первых коммерческих продуктов, использующих биочипы. В настоящее время эта технология очень широко используется в самых разных целях большим числом фирм. С ее помощью осуществляется широкомасштабная автоматизация процесса обнаружения множества различных генных мутаций, одновременный анализ работы десятков тысяч генов в здоровых и поврежденных тканях, диагностика генетических заболеваний и многое другое.
Современный биологический микрочип имеет весьма небольшой размер (чаще всего с ноготь) и представляет собой набор нанесенных и закрепленных (иммобилизованных) на предметном стекле специальных проб в количестве от нескольких десятков до 10000 и более. В качестве таких проб могут служить очень короткие нуклеотидные последовательности ДНК (олигонуклеотиды), протяженные фрагменты ДНК, ферменты, антигены, антитела и т.д. В зависимости от поставленной задачи сложность микрочипа (количество иммобилизованных проб и плотность их расположения) может варьировать в широких пределах. Пробы расположены на чипе в определенной последовательности. Чип гибридизуют (о гибридизации мы уже говорили) с изучаемым образцом, содержащим сложную смесь меченых тем или иным способом РНК или ДНК, а далее анализируют полученный результат с помощью специальных приборов – сканеров. По получаемой картине можно судить о том, что именно содержится в анализируемом образце. Таким образом, обеспечивается проверка на соответствие известных и неизвестных образцов ДНК и автоматизируется процесс их идентификации. Иными словами, биочип – это новое изделие, которое выступает в роли биологического эквивалента микрочипа компьютера, за исключением того, что, вместо выполнения миллионов математических действий, использующих электричество, здесь происходит расшифровка работы тысяч генов за счет процесса гибридизации.
В настоящее время исследования генной экспрессии часто проводятся с использованием высокоэффективных микрочипов ряда фирм. У фирмы Affymetrix они представляют собой маленькие пластинки, в микролунки которых нанесены короткие (20—25 нуклеоти–дов) пробы, комплементарные последовательностям исследуемых генов. При этом каждому гену соответствует несколько (10—20) таких проб. Это существенно повышает точность и воспроизводимость количественного анализа генной экспрессии. Плотность размещения проб, а следовательно количество генов, анализируемых на одном чипе, могут быть столь велики, что один такой чип способен охватить все гены человека. С таким микрочипом проводят гибридизацию меченых копий суммарной РНК клетки (кДНК). Благодаря комплементарности цепей, в каждой лунке гибридизуется отдельная фракция кДНК. Затем автоматически микрометодами определяется спектр генов, изменяющих свою экспрессию в одном типе клеток по сравнению с другим. В результате можно расписать функциональное состояния огромного числа генов на каждый конкретный момент времени в каждом определенном типе клеток.
Приведем лишь один пример. Надо было выяснить, чем отличается картина экспрессии генов в раковых клетках по сравнению с нормальными. Продукты экспрессии раковых клеток метили флуоресцентным красителем с максимумом флуоресценции в красной области спектра. Одновременно также метили продукты нормальных клеток, но красителем, максимум флуоресценции которого лежит в зеленой области спектра. Все это смешивалось и гибридизовалось с микрочипом, на котором содержались пробы для примерно 20 тыс. различных генов. Во флуоресцентном микроскопе получалась замечательная по красоте картинка (см. рис. 31 на цветной вклейке). Но расшифровать ее позволяет только специальный компьютерный анализ. В результате исследователи могут сделать довольно однозначный вывод о поведении в раковой клетке огромного числа генов и сравнить их поведение в нормальной клетке. Отсюда в конечном итоге можно прийти к пониманию молекулярных причин определенного злокачественного перерождения клетки. Результат, получаемый молекулярными генетиками с помощью микрочипа, можно сравнить с теми данными, которые дает астрономам фотография звездного неба, когда по размеру и яркости звезд они определяются происходящие в космосе события. Человеческий организм – это космос для биологов.
Рис. 31. Общая картина гибридизации меченых флюоресцентными красителями зондов с микрочином, изображающая спектры генов, работающих сильнее (красным цветом) или слабее (зеленым цветом) в раковых клетках по сравнению с нормальными клетками.
История биочипов началась еще в конце 80–х годов, когда исследователи сразу трех стан (Югославии, США и СССР) опубликовали первые результаты работ по оценкам возможности применения биочипов для анализа ДНК. В нашей стране ведущая роль в разработке данных технологий принадлежит Институту молекулярной биологии им. В. А. Энгельгардта РАН (директор академик А. Д. Мирзабе–ков). Спустя 10 лет в США было объявлено о начале проекта по выпуску на рынок первых коммерческих продуктов, использующих биочипы. В настоящее время эта технология очень широко используется в самых разных целях большим числом фирм. С ее помощью осуществляется широкомасштабная автоматизация процесса обнаружения множества различных генных мутаций, одновременный анализ работы десятков тысяч генов в здоровых и поврежденных тканях, диагностика генетических заболеваний и многое другое.
Современный биологический микрочип имеет весьма небольшой размер (чаще всего с ноготь) и представляет собой набор нанесенных и закрепленных (иммобилизованных) на предметном стекле специальных проб в количестве от нескольких десятков до 10000 и более. В качестве таких проб могут служить очень короткие нуклеотидные последовательности ДНК (олигонуклеотиды), протяженные фрагменты ДНК, ферменты, антигены, антитела и т.д. В зависимости от поставленной задачи сложность микрочипа (количество иммобилизованных проб и плотность их расположения) может варьировать в широких пределах. Пробы расположены на чипе в определенной последовательности. Чип гибридизуют (о гибридизации мы уже говорили) с изучаемым образцом, содержащим сложную смесь меченых тем или иным способом РНК или ДНК, а далее анализируют полученный результат с помощью специальных приборов – сканеров. По получаемой картине можно судить о том, что именно содержится в анализируемом образце. Таким образом, обеспечивается проверка на соответствие известных и неизвестных образцов ДНК и автоматизируется процесс их идентификации. Иными словами, биочип – это новое изделие, которое выступает в роли биологического эквивалента микрочипа компьютера, за исключением того, что, вместо выполнения миллионов математических действий, использующих электричество, здесь происходит расшифровка работы тысяч генов за счет процесса гибридизации.
В настоящее время исследования генной экспрессии часто проводятся с использованием высокоэффективных микрочипов ряда фирм. У фирмы Affymetrix они представляют собой маленькие пластинки, в микролунки которых нанесены короткие (20—25 нуклеоти–дов) пробы, комплементарные последовательностям исследуемых генов. При этом каждому гену соответствует несколько (10—20) таких проб. Это существенно повышает точность и воспроизводимость количественного анализа генной экспрессии. Плотность размещения проб, а следовательно количество генов, анализируемых на одном чипе, могут быть столь велики, что один такой чип способен охватить все гены человека. С таким микрочипом проводят гибридизацию меченых копий суммарной РНК клетки (кДНК). Благодаря комплементарности цепей, в каждой лунке гибридизуется отдельная фракция кДНК. Затем автоматически микрометодами определяется спектр генов, изменяющих свою экспрессию в одном типе клеток по сравнению с другим. В результате можно расписать функциональное состояния огромного числа генов на каждый конкретный момент времени в каждом определенном типе клеток.
Приведем лишь один пример. Надо было выяснить, чем отличается картина экспрессии генов в раковых клетках по сравнению с нормальными. Продукты экспрессии раковых клеток метили флуоресцентным красителем с максимумом флуоресценции в красной области спектра. Одновременно также метили продукты нормальных клеток, но красителем, максимум флуоресценции которого лежит в зеленой области спектра. Все это смешивалось и гибридизовалось с микрочипом, на котором содержались пробы для примерно 20 тыс. различных генов. Во флуоресцентном микроскопе получалась замечательная по красоте картинка (см. рис. 31 на цветной вклейке). Но расшифровать ее позволяет только специальный компьютерный анализ. В результате исследователи могут сделать довольно однозначный вывод о поведении в раковой клетке огромного числа генов и сравнить их поведение в нормальной клетке. Отсюда в конечном итоге можно прийти к пониманию молекулярных причин определенного злокачественного перерождения клетки. Результат, получаемый молекулярными генетиками с помощью микрочипа, можно сравнить с теми данными, которые дает астрономам фотография звездного неба, когда по размеру и яркости звезд они определяются происходящие в космосе события. Человеческий организм – это космос для биологов.
Рис. 31. Общая картина гибридизации меченых флюоресцентными красителями зондов с микрочином, изображающая спектры генов, работающих сильнее (красным цветом) или слабее (зеленым цветом) в раковых клетках по сравнению с нормальными клетками.
Источник: Вячеслав Залманович Тарантул, «Геном человека: Энциклопедия, написанная четырьмя буквами» 2003
А так же в разделе « Микрочипы – новый рубеж в исследовании экспрессии генома »
- ОБЩЕЕ ВВЕДЕНИЕ
- ЧАСТЬ IСТРУКТУРА ГЕНОМА ЧЕЛОВЕКАЧТО ТАКОЕ ГЕНОМ?
- НЕМНОГО ИСТОРИИ, НЕМНОГО ТЕРМИНОЛОГИИ
- ДНК – МОЛЕКУЛЯРНАЯ ОСНОВА ГЕНОМА
- Тонкое устройство ДНК
- Генетическая грамматика
- Размножение ДНК(репликация)
- Перезапись генетического текста и перевод в белковый текст(транскрипция и трансляция)
- ДЛИННАЯ ИСТОРИЯ СО СЧАСТЛИВЫМ КОНЦОМ
- Хромосомы дают первые сведения о структуре генома
- Как двухметровая молекула умещается в микроскопическом ядре?
- Анализ суммарной ДНК – новые сведения о структуре генома человека
- Новый этап – анализ индивидуальных элементов ДНК (генная инженерия)
- Конечная цель – определение полной последовательности нуклеотидов в ДНК человека
- Секвенирование простых геномов
- ТАЙНА ТАЙН ЗА 6 МИЛЛИАРДОВ ДОЛЛАРОВ
- ОСНОВНЫЕ ВЕХИ ГЕНЕТИКИ И ГЕНОМИКИ
- ГЕНЫ – ОСНОВНОЙ ТЕКСТ ГЕНОМА
- «Жи, ши – пиши через и»
- Знаки препинания (Генетическая пунктуация)
- Гены построены из кусков
- Перекрывание генных текстов
- Не все гены кодируют белки
- Ген в гене (генная матрешка)
- Генные семейства
- Новые предложения из фрагментов старых текстов
- Сколько же всего генов у человека?
- ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ ГЕНОМА – ТЕРРА ИНКОГНИТА
- ДНКовый текст человека перенасыщен повторами
- Перевертыши (обращенные повторы)
- Простые тандемные повторы (сателлиты)
- Диспергированные повторы
- Диспергированные повторы умеют «прыгать»
- Семейство повторов по имени LINE
- Семейство повторов по имени Alu
- Вирусы – составная часть генома человека
- Еще одна группа спонсоров человеческого генома (ДНК–транспозоны)
- Нуклеотидные последовательности – «близнецы»
- Имеется ли в геноме «эгоистичная» ДНК?
- Концы молекул ДНК – объект повышенного внимания
- «Белые пятна» генома
- ОПЕЧАТКИ В ДНКовом ТЕКСТЕ(полиморфизм и мутации)
- МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ЧАСЫ
- ХРОМОСОМЫ – ОТДЕЛЬНЫЕ ЧАСТИ ЦЕЛОГО(краткие аннотации)
- Хромосома 1
- Хромосома 2
- Хромосома 3
- Хромосома 4
- Хромосома 5
- Хромосома 6
- Хромосома 7
- Хромосома 8
- Хромосома 9
- Хромосома 10
- Хромосома 11
- Хромосома 12
- Хромосома 13
- Хромосома 14
- Хромосома 15
- Хромосома 16
- Хромосома 17
- Хромосома 18
- Хромосома 19
- Хромосома 20
- Хромосома 21
- Хромосома 22
- Хромосома X
- У–хромосома
- 25–я ХРОМОСОМА – ВАЖНОЕ ДОПОЛНЕНИЕ (митохондриальный геном)
- ЧАСТЬ II ФУНКЦИЯ ГЕНОМА ЧЕЛОВЕКАКОРОЛЕВА УМЕРЛА – ДА ЗДРАВСТВУЕТ КОРОЛЕВА!
- ОТ СТРУКТУРЫ К ФУНКЦИИ(функциональная геномика)
- Моделирование – важный подход к пониманию функции генов
- ОТ ГЕНА – К БЕЛКУ(протеомика)
- ОТ ГЕНА И БЕЛКА – К ЛЕЧЕНИЮ(медицинская геномика)
- РАК – ПРОБЛЕМА ПРОБЛЕМ(онкогеномика)
- ГЕНЫ И ПОВЕДЕНИЕ(психогеномика)
- ВСЕ ЛИ В НАС ЗАВИСИТ ОТ ГЕНОМА?(геном и окружающая среда)
- ПРАВИЛЬНЫЙ ДИАГНОЗ – ПОЛОВИНА ЛЕЧЕНИЯ(генная диагностика)
- ДНКовый ТЕКСТ ВМЕСТО ОТПЕЧАТКОВ ПАЛЬЦЕВ(генная дактилоскопия)
- РЕМОНТ ГЕНОВ(генная терапия)
- СМЕРТЬ И БЕССМЕРТИЕ – В НАШИХ ГЕНАХ(проблема долголетия)
- ИНДИВИДУАЛЬНАЯ ПИЛЮЛЯ(фармакогеномика)
- КОМПЬЮТЕР ВМЕСТО ПРОБИРКИ(геноинформатика)
- Чем полезен компьютер для изучения генома человека?
- Геноинформатика – быстрый путь от гена к лекарству
- Немного фактов на грани с фантастикой
- ВСЕ ПОЗНАЕТСЯ В СРАВНЕНИИ(сравнительная геномика)
- ЧАСТЬ IIIПРОИСХОЖДЕНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ ГЕНОМА ЧЕЛОВЕКАКАК ПОЯВИЛСЯ ЧЕЛОВЕЧЕСКИЙ ГЕНОМ?(происхождение человека)
- Дарвин оказался прав!
- Поиск родственников по останкам(палеогеномика)
- После обезьян были «Адам» и «Ева»
- ИСТОРИЯ С ГЕОГРАФИЕЙ, ЗАПИСАННАЯ В НАШЕМ ГЕНОМЕ(этногеномика)
- Волны миграций человека по планете
- Генетические ландшафты(геногеография)
- ЗАКОНЧЕНА ЛИ ЭВОЛЮЦИЯ ЧЕЛОВЕКА?
- ЧАСТЬ IVЧТО ДЕНЬ ГРЯДУЩИЙ НАМ ГОТОВИТ?
- ГЕНОМ ЧЕЛОВЕКА КАК ОБЪЕКТ ИСКУССТВЕННЫХ МАНИПУЛЯЦИЙ
- ЭТИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ(Этика + Генетика = ГенЭтика)
- ПЕРСПЕКТИВЫ И ПРОГНОЗЫ
- ЭПИЛОГ
- Приложение 1 ВЫДЕРЖКИ ИЗ КНИГИ Р. ДОКИНЗА «ЭГОИСТИЧНЫЙ ГЕН»