NHGRI Division of Intramural Research

What is the Canine Genome?

Ciało psa zawiera biliony komórek. Większość z tych komórek zawiera jądro. U psów w każdym jądrze można znaleźć 38 par autosomów (chromosomów nie będących chromosomami płci), co daje w sumie 76 chromosomów plus dwa chromosomy płci (X i Y), co daje w sumie 78. Podczas zapłodnienia, pies otrzymuje po jednej kopii każdego chromosomu od każdego z rodziców. Chromosomy są wykonane z kwasu deoksyrybonukleinowego (DNA), „cząsteczki życia”.

DNA składa się z małych chemicznych bloków konstrukcyjnych zwanych „nukleotydami” lub „zasadami”, które występują w czterech typach: adenina (A), guanina (G), cytozyna (C) i tymina (T). Wszystkie organizmy żywe, w tym ludzie, posługują się tym czteroliterowym kodem. Zasady są sparowane w stałych jednostkach adenina-tymina (A-T) i guanina-cytozyna (G-C). W każdej komórce psa znajduje się około trzech miliardów par zasad. Geny są definiowane przez unikalną sekwencję nukleotydów, która może składać się z zaledwie stu lub nawet miliona zasad. Sekwencja każdego genu nazywana jest jego „kodem”. Na przykład kod jednego genu może prowadzić do powstania białek, które nadają kolor łodydze włosa, kod innego genu wytwarza enzymy do trawienia pokarmu, a trzeci gen kieruje tworzeniem przeciwciał zwalczających choroby. Dla danego genu kod jest bardzo precyzyjny; pojedynczy błąd w sekwencji DNA może mieć katastrofalne skutki dla zdrowia psa.

Każdy z 78 chromosomów zawiera kody dla setek genów. Geny kodują niezbędne mechanizmy do produkcji białek, które z kolei tworzą fizyczną strukturę ciała. Białka są potrzebne dla wszystkich kluczowych układów w organizmie, takich jak układ nerwowy czy układ pokarmowy. Każdy gen ma swój specyficzny kod, który jest przekazywany z rodzica na potomstwo. Termin „genom psa” odnosi się do całej sekwencji psiego genomu, w tym wszystkich genów i przestrzeni pomiędzy nimi. Geny mogą decydować o rozwoju Twojego psa, od koloru sierści po cechy osobowości, a w niektórych przypadkach także o chorobach, na które pies będzie podatny.

Adaptowano z NHGRI Intramural Publication
Support Office DNA image, obrazy psów
courtesy of © AKC/Mary Bloom

Adapted from NHGRI Intramural Publication
Support Office blue DNA image

Następująca sekwencja jest przykładem sekwencji nukleotydów: GGAAACCTGGTATA…. Na tej stronie pokazane są również zdjęcia DNA w zbliżeniu. Sekwencja genomu psa została opublikowana w 2005 roku (Lindblad-Toh et al. 2005).

Lokalizacja genów poprzez „mapowanie genów”

Aby zlokalizować sekwencje nukleotydów odpowiedzialne za interesujące nas cechy, badacze muszą przeczesać około 3 miliardów par zasad, czyli długość genomu psa. Nie całe DNA zawiera geny. Większość sekwencji DNA jest znana jako niekodujące DNA, które może odgrywać role regulacyjne, takie jak włączanie lub wyłączanie genów, określanie ilości każdego genu do wyprodukowania lub kierowanie zakodowanego posłańca RNA gdzie ma się udać w komórce. Aby znaleźć mutację, która kontroluje lub jest związana z daną cechą, naukowcy zazwyczaj porównują DNA psów, które posiadają daną cechę z tymi, które jej nie posiadają. Może to być dość proste przy badaniu genów, które kontrolują wygląd, jednak jest to znacznie trudniejsze przy badaniu chorób lub zachowań psów (Spady i wsp. 2008; Parker i wsp. 2006).

Do większości porównań na poziomie genomu używamy psiego „chipa SNP”, jest to metoda odczytu ponad 100 tysięcy miejsc w genomie w jednym czasie. Najnowszy psi chip SNP zawiera ponad 170 000 SNP (opisany w Vaysse et al. 2011). SNP, czyli polimorfizmy pojedynczych nukleotydów, reprezentują pojedyncze zasady w genomie, które często ulegają mutacji. Większość z nich nie ma nic wspólnego z chorobą, ale służą jako drogowskazy („markery”) do poruszania się po genomie psa. Asocjacja jest określana poprzez obliczenie różnicy w częstotliwości występowania każdego markera u psów z daną chorobą lub cechą w porównaniu z psami, które nie mają tej choroby lub cechy. Po znalezieniu znaczącego związku między SNP a cechą, naukowcy badają sąsiednie geny i sekwencje, aby spróbować znaleźć wariant lub kombinację wariantów, które przyczyniają się do powstania interesującej nas cechy.

Sekwencjonowanie genomu

Z powodu ulepszeń w technologii, które obniżyły cenę sekwencjonowania, możemy teraz wykorzystać sekwencjonowanie całego genomu do znalezienia interesujących nas mutacji. W ciągu ostatnich 30 lat naukowcy poczynili niezwykłe postępy w technologii sekwencjonowania genów, tak że obecnie możliwe jest określenie sekwencji całego genomu organizmu w ciągu kilku dni. Technologia sekwencjonowania ujawnia więcej tajemnic genów psowatych znacznie szybciej niż kiedykolwiek wcześniej.

Technika ta dociera do samego serca kodu genetycznego; rozszyfrowuje dokładną sekwencję literowych zasad, które składają się na każdy gen, oraz sekwencje wokół i pomiędzy genami, które pomagają w regulacji.

Courtesy of the NHGRI Intramural Publication Support Office

Learning About Mutations

Gdy naukowcy zsekwencjonują gen, można by pomyśleć, że ich praca jest skończona, ale to nie takie proste. Teraz muszą ustalić, czy zmiany, które zostały wykryte w kodzie genetycznym, rzeczywiście zmieniają sposób działania genu. Nie wszystkie psy mają identyczne wersje tego samego genu. Zmienność genetyczna występuje wtedy, gdy w komórce popełniane są „błędy” w mechanizmach powielania lub naprawy, które powodują trwałą zmianę w sekwencji nukleotydów genu. Mutacje te prowadzą do powstania wariantowych form genu, zwanych allelami, które mogą zmieniać jego funkcję. Jeśli mutacje te występują w komórkach rozrodczych, mogą być przekazywane przyszłemu potomstwu. Większość genów kontroluje więcej niż jedną funkcję w organizmie psa. Często sposób, w jaki jeden gen jest wyrażany, czyli włączany do produkcji białek, może mieć bezpośredni wpływ na funkcjonowanie innych genów. Co ciekawe, podczas gdy niektóre błędy w kodzie mogą spowodować nieaktywność genu, a inne mogą zwiększyć lub dodać aktywność genu, większość zmian ma niewielkie lub nawet żadne konsekwencje. Jest to często skomplikowana zagadka do rozwiązania. Naukowcy, zawsze świadomi faktu, że niepożądane allele wraz z dobrymi będą przekazywane z rodzica na potomstwo, często pracują latami, aby zrozumieć prawdziwą funkcję białka w celu poprawy zdrowia psów, które badają. Jednak z pomocą bioinformatyki, statystycznego podejścia do zrozumienia rozległych zbiorów danych biologicznych, mamy dostęp do wielu narzędzi pozwalających rozwikłać tajemnice psiego genomu. Stosując nowe i wyrafinowane podejścia, utalentowani bioinformatycy mogą porównywać sekwencje genomowe z dużej liczby osobników w celu znalezienia pojedynczych mutacji. W Dog Genome Project często wzorujemy się na technikach poznanych w Human Genome Project.

Genetic Diseases and the Canine Genome

Badacze zidentyfikowali ponad 360 zaburzeń genetycznych występujących zarówno u ludzi, jak i u psów, przy czym około 46% z nich występuje tylko u jednej lub kilku ras. W przypadku większości z nich nie znaleziono leżącej u ich podłoża zmiany genetycznej.

Rak jest chorobą genetyczną, ale nie wszystkie mutacje powodujące raka są dziedziczne. W ciągu całego życia, DNA w komórkach ciała psa jest zdolne do przechodzenia spontanicznych zmian genetycznych. Z biegiem lat te mutacje genetyczne mogą się nagromadzić lub mogą wystąpić w ważnych genach. Jeśli pojedyncza komórka nagromadzi wystarczającą ilość mutacji lub uzyska zmiany w krytycznym genie, może zacząć dzielić się i rosnąć w sposób niekontrolowany. Komórka przestanie wtedy pełnić swoją funkcję, co może prowadzić do powstania raka. Zidentyfikowano kilka potężnych genów, które mogą same rozpocząć ten proces, często za pomocą prostej mutacji. Być może słyszałeś o genach podatności na raka piersi BRCA1 i BRCA2. Należą one do tej ostatniej kategorii. Wreszcie, czynniki środowiskowe przyczyniają się do raka, jak również, takie jak ekspozycja na światło słoneczne i raka skóry u ludzi.

Diagnoza raka zazwyczaj występuje, gdy niekontrolowany wzrost tworzy masy komórek zwanych guzami. Każda komórka zawiera kopię zmutowanego genu identyczną do tej z oryginalnej zmutowanej komórki. Komórki nowotworowe mogą migrować do innych narządów i zacząć tam rosnąć. Nazywa się to przerzutami. Celem terapii przeciwnowotworowej jest zabicie wszystkich komórek nowotworowych w obrębie dotkniętej jednostki, ponieważ pojedyncza pozostała komórka może spowodować nawrót nowotworu. Radioterapia jest stosowana jako „terapia miejscowa”, ukierunkowana na zabijanie komórek w obrębie samego guza. W podobny sposób, chirurgia jest często używana do usunięcia guza. Chemioterapia jest „terapią ogólnoustrojową”, która zabija szybko rosnące komórki, zarówno te znajdujące się w guzie, jak i, miejmy nadzieję, te, które przemieściły się do innych organów.

Do tej pory leczenie większości chorób podejmowane jest retrospektywnie, po zdiagnozowaniu choroby. U psów jest to często w zaawansowanym stadium, ponieważ nie są one w stanie powiedzieć komuś, że nie czują się dobrze. Postępy w badaniach genetycznych powinny wzmocnić to podejście. W istocie, jedną z najbardziej ekscytujących możliwości w badaniach nad rakiem jest możliwość wykorzystania genomiki do identyfikacji mutacji i diagnozowania raka, zanim stanie się on poważnym problemem. Ostatecznie mamy nadzieję, że uda nam się opracować testy genetyczne pozwalające na identyfikację szkodliwych mutacji zanim pies zachoruje. Wreszcie, społeczność naukowa ma nadzieję na współpracę ze społecznością hodowlaną psów, aby pozbawić populacje alleli podatności na choroby.

Ostatnio zmodyfikowano: Wtorek, 13-Feb-2018 13:07:00 EST

Przyp. tłum.