유전자 화면

Genetic screen
이 글은 유전자의 기능을 파악하는 방법에 관한 것이다. 유전자 질병에 대한 검사나 검사는 유전자 검사를 참조하십시오.

유전자 화면 또는 돌연변이 유발 화면은 돌연변이 발생 인구에서 관심의 표현형을 가진 개인을 식별하고 선택하기 위해 사용되는 실험 기법이다.[1] 따라서 유전자 화면은 표현형 화면의 한 유형이다. 유전자 화면은 생물학적 과정이나 경로의 기초가 되는 분자 사건뿐만 아니라 유전자 기능에 대한 중요한 정보를 제공할 수 있다. 게놈 프로젝트는 많은 다른 유기체에서 광범위한 유전자의 목록을 확인했지만, 유전자 화면은 그러한 유전자가 어떻게 기능하는지에 대한 귀중한 통찰력을 제공할 수 있다.[2][3][4][5][6]

기본 선별

전방 유전학(또는 전방 유전자 화면)은 표현형에서 시작하여 그 표현형을 책임지는 유전자와 원인 돌연변이를 식별하려고 시도한다. 예를 들어 크리스티안 누슬린 볼하드와 에릭 비샤우스의 유명한 화면은 과일 파리를 돌연변이화한 다음 관찰된 돌연변이 표현형을 유발하는 유전자를 찾기 시작했다.[7]

성공적인 전방 유전자 화면은 종종 의 정의된 유전적 배경과 간단한 실험 절차를 필요로 한다. 즉, 여러 개체가 돌연변이를 일으켰을 때 그들은 유전적으로 동일해야 그들의 야생형 표현형도 동일하고 돌연변이 표현형도 식별하기 더 쉽다. 간단한 선별 방법을 사용하면 더 많은 수의 개인을 선별할 수 있으므로 관심 돌연변이를 생성하고 식별할 확률이 증가한다.[3]

자연적 알레르기의 돌연변이는 드물기 때문에 유전자 검사 이전에 종종 화학 물질이나 방사선 같은 알려진 돌연변이 물질에 노출되어 개체군을 돌연변이로 만들어 염색체 돌연변이의 빈도가 훨씬 높다.[1] 어떤 유기체에서 돌연변이체는 포화 스크린, 즉 특정 표현형과 관련된 모든 유전자를 밝혀내는 데 사용되는 스크린을 사용한다. 크리스찬 뷔슬린볼하드와 에릭 비샤우스가 동물에서 이런 종류의 선별 절차를 수행한 최초의 개인이었다.[8]

역유전학(또는 역유전자 스크린)은 알려진 유전자에서 시작하여 결과적인 표현형태를 분석함으로써 그 붕괴의 효과를 분석한다. 예를 들어, 녹아웃 화면에서 하나 이상의 유전자가 완전히 삭제되고 삭제 돌연변이가 표현형 검사를 받는다. 그러한 화면은 많은 박테리아와 심지어 C. 엘레강정과 같은 복잡한 유기체의 모든 유전자를 위해 만들어졌다.[1] 역 유전자 검사는 전형적으로 유전자 순서에 이어 표적 불활성화로 시작한다.[9] 게다가, 그것은 모델 유기체의 돌연변이를 유발하여 질병에서 그들의 역할을 배우게 한다.[10]

선별 변형

돌연변이 관심의 표현형을 유도하는 유전자를 해명하기 위해 많은 선별 변형이 고안되었다.

엔한서

엔핸서 화면은 알려진 유전자 돌연변이와 함께 관심의 영향을 받는 돌연변이 개인으로 시작한다. 그 다음 화면은 그 생물학적 또는 생리학적 과정에서 역할을 하는 추가적인 유전자 또는 유전자 돌연변이를 식별하는 데 사용될 수 있다. 유전자 증진제 화면은 이미 돌연변이가 있는 개인에 대한 관심의 표현형을 강화하는 돌연변이를 식별한다. 이중 돌연변이(엔한제와 원래 배경 돌연변이를 모두 가진 개인)의 표현형은 단일 돌연변이 표현형 중 어느 하나보다 더 두드러진다. 강화는 스스로 두 돌연변이의 예상되는 표현형을 뛰어넘어야 하며, 따라서 각각의 돌연변이는 다른 돌연변이의 촉진제로 간주될 수 있다. 내한제 돌연변이를 격리시키면 서로에 대해 중복적으로 작용하는 상호 작용하는 유전자나 유전자를 식별하게 될 수 있다.[11]

억제기

억제기 화면은 합성 생존능력으로 정의된 프로세스에서 원래 돌연변이의 표현형을 완화하거나 되돌리는 억제기 돌연변이를 식별하기 위해 사용된다.[12] 억제기 돌연변이는 연구 중인 돌연변이와 구별되는 염색체 상의 한 부위에서 두 번째 돌연변이로 설명될 수 있는데, 이 돌연변이는 원래 돌연변이의 표현형을 억제한다.[13] 이 돌연변이가 원래 돌연변이와 동일한 유전자에 있는 경우 그것은 세포내 억제라고 알려져 있는 반면, 다른 유전자에 위치한 돌연변이는 세포외 억제 또는 유전자간 억제라고 알려져 있다.[1] 억제기 돌연변이는 세포 내에서 생화학적 경로의 기능과 다른 생화학적 경로 사이의 관계를 정의하는 데 매우 유용하다.

온도에 민감한

온도에 민감한 화면은 돌연변이 표현형을 향상시키기 위해 온도 이동을 수행하는 것을 포함한다. 낮은 온도에서 자란 개체군은 정상적인 표현형을 가질 수 있지만, 특정 유전자의 돌연변이는 더 높은 온도에서 그것을 불안정하게 만들 것이다. 예를 들어, 초파리의 온도 감도를 위한 화면에는 초파리가 기절할 때까지 새장의 온도를 올린 다음 다른 초파리가 탈출할 수 있도록 포탈을 여는 것이 포함될 수 있다. 화면에서 선택된 개인은 관심의 표현형과 관련된 유전자의 특이한 버전을 지니고 다니기 쉽다. 이런 유형의 화면에서 발견되는 알레르기의 장점은 돌연변이 표현형이 조건부여서 단순히 온도를 높여 활성화할 수 있다는 점이다. 그러한 유전자의 무효 돌연변이는 배아에 치명적일 수 있고 그러한 돌연변이는 기본적인 화면에서 놓칠 수 있다. 유명한 온도 민감성 스크린은 리 하트웰과 폴 간호사가 각각 S. 세레비시아와 S. 퐁베에서 세포주기에 결함이 있는 돌연변이를 식별하기 위해 독자적으로 수행했다.

RNAi

RNA 간섭(RNAi) 배아 주입 방법 개요.

RNA 간섭(RNAi) 화면은 본질적으로 역유전 기법을 이용한 전방 유전학 화면이다. 과거의 고전적인 유전자 화면과 유사하게, 대규모 RNAi 조사의 성공은 표현형 분석의 신중한 개발과 그 해석에 달려 있다.[14] 드로소필라에서 RNAi는 배양된 세포나 체내에 적용되어 유전자 기능을 조사하고 단일 유전자의 기능을 게놈 폭의 규모로 효과를 보았다. RNAi는 초기 배아에 dsRNA를 주입하고 Frizzzled와 Frizzzled2 유전자를 간섭하여 날개 없는 기능의 상실을 모방한 배아 패터닝에 결함을 만들어냄으로써 드로소필라의 유전자 발현을 침묵시키는 데 사용된다.[15]

크리스퍼

Cas12a는 CRRNA와 표적 DNA가 결합된 복합체로 CRISPR 스크린의 핵심 도구다.

CRISPR/Cas는 주로 역유전 스크린에 사용된다. 크리스퍼는 수천 개의 정확한 유전자 돌연변이의 라이브러리를 만들 수 있으며 암 연구에서 오래된 종양을 검증할 뿐만 아니라 새로운 종양을 식별할 수 있다. 64,751개의 고유 가이드 시퀀스를 가진 1만8,080개의 유전자를 대상으로 한 게놈 스케일 크리스퍼-카스9 클로아웃(GeCKO) 도서관은 암에서 세포 생존에 필수적인 유전자를 식별한다. 대장암(CRC) 모델을 입증하기 위해 비정형 인간 장내 오가노이드의 기능 상실(LOF)과 기능상실(GOF) 돌연변이를 모두 엔지니어링하기 위한 박테리아 CRISPR-Cas9 시스템. 체세포에서 직접 게놈 편집을 가능하게 하여 체내 돌연변이의 기능적 결과를 연구하는데도 사용할 수 있다.[16]

돌연변이 매핑

고전적인 유전학적 접근법에 의해, 연구자는 다른 특이한 형질을 지닌 개인들과 교배하고 두 형질이 얼마나 자주 함께 유전되는지에 대한 통계를 수집하여 염색체에서 유전자를 찾아낼 수 있다. 고전적인 유전학자들은 새로운 돌연변이 알레르기의 지도를 그리기 위해 표현형질을 사용했을 것이다. 드로소필라 멜라노가스터, 아라비도피스 탈리아나, 씨엘레건과 같은 모델 시스템의 게놈 시퀀스의 출현과 함께 이제는 지도 제작의 특성으로 사용될 수 있는 많은 단일 뉴클레오티드 다형성(SNP)이 확인되었다. 실제로 1980년 누슬레인-볼하르드와 비에스차우스가 개발한 돌연변이에 대한 대량 실험이 가능한 하이델베르크 화면은 이 분야의 미래 과학자들에게 길을 열어주었다.[17] SNP는 서로 다른 종류의 유기체들 사이에서 1000개의 염기쌍당 하나의 차이의 순서로 매우 빈번하기 때문에 매핑을 위해 선호되는 특성이다. 변형에 의한 임의의 DNA 삽입이나 활성 트랜스포존과 같은 돌연변이도 새로운 돌연변이를 생성하는 데 사용될 수 있다. 이러한 기법은 유전자의 빠른 식별을 용이하게 할 수 있는 알려진 분자(DNA) 마커로 새로운 알레르기에 태그를 붙일 수 있는 장점이 있다.[8]

위치 복제

위치복제는 특정 표현형 유전자가 대략적인 염색체 위치(기능은 아님)로만 식별되는 유전자 식별 방법이며, 이를 후보 영역이라고 한다. 초기에는 연계 분석 등의 기법을 이용해 후보 지역을 정의할 수 있으며, 이후 위치 복제는 유전자와 그 돌연변이가 발견될 때까지 후보 지역을 좁히는 데 사용된다. 위치 복제는 일반적으로 유전 도서관에서 부분적으로 겹치는 DNA 부분을 분리하여 염색체를 따라 특정 유전자를 향해 나아가게 하는 것을 포함한다. 위치 복제 과정에서 현재 검토 중인 DNA 부분이 유전자의 일부인지 여부를 판단할 필요가 있다.

이 목적에 사용되는 테스트에는 이종 간 교배, 비메틸화 CpG 섬 식별, 엑손 트래핑, 직접 cDNA 선택, DNA 염기서열의 컴퓨터 분석, 영향을 받는 개인의 돌연변이 선별, 유전자 발현 테스트 등이 포함된다. 유전적 다형성 영역이 알려진 게놈의 경우 위치 복제는 돌연변이를 수반하는 다형성을 식별하는 것을 포함한다. 이 과정은 가장 가까운 것으로 알려진 유전자 표지의 DNA 조각들이 점진적으로 복제되고 서열화 되어 각각의 새로운 복제와 돌연변이 대립에 더 가까워질 것을 요구한다. 이 과정은 위치의 반투명 지도를 생성하며 염색체 걷는 것으로 알려져 있다. 인간 게놈 프로젝트와 같은 게놈 염기서열 프로젝트가 완료됨에 따라 현대적 위치 복제에서는 게놈 염기서열 데이터베이스에서 직접 만든 콘티그를 사용할 수 있게 되었다.

각각의 새로운 DNA 복제에 대해 다형성은 돌연변이 표현형과 비교하여 그것의 재조합 빈도에 대해 지도 모집단에서 확인되고 시험된다. DNA 복제가 돌연변이 알레르기에 있거나 근접한 경우 재조합 주파수는 0에 가까워야 한다. 염색체 보행이 돌연변이 알레르기를 통해 진행된다면, 새로운 다형체는 돌연변이 표현형에 비해 재조합 빈도가 증가하기 시작할 것이다. 지도 모집단의 크기에 따라 돌연변이 알레르기는 작은 지역(<30Kb)으로 좁혀질 수 있다. 그런 다음 표현적 차이를 일으키는 DNA 돌연변이를 찾기 위해 야생형과 돌연변이 DNA 사이의 시퀀스 비교가 필요하다.

현대의 위치 복제는 후보 지역의 유전자를 분석함으로써 유전체 염기서열 프로젝트와 기존 데이터에서 보다 직접적으로 정보를 추출할 수 있다. 그러면 후보 지역의 잠재적인 질병 유전자가 우선순위를 정할 수 있고, 잠재적으로 관련된 일의 양을 줄일 수 있다. 질병 표현형과 일치하는 표현 패턴을 가진 유전자, 표현형과 관련된 (표현적) 기능을 보여주는 유전자, 또는 표현형과 연결된 다른 유전자와 호몰로겐 모두 우선적인 후보들이다. 이러한 방식으로 위치 복제 기술을 일반화하는 것을 위치 유전자 발견이라고도 한다.

위치복제는 질병 유전자를 편견 없이 격리시키는 효과적인 방법으로 듀첸 근위축증, 헌팅턴병, 낭포성 섬유증 등의 질병 유전자를 규명하는 데 이용돼 왔다. 그러나 이 질병이 이질성을 보이는 경우 분석에서 합병증이 발생한다.

참조

  1. ^ a b c d Hartwell LH, Hood L, Goldberg ML, Reynolds AE, Silver LM, Veres RC (2008). Genetics: from genes to genomes. Boston: McGraw-Hill Higher Education. ISBN 978-0-07-284846-5.
  2. ^ Patton EE, Zon LI (December 2001). "The art and design of genetic screens: zebrafish". Nat. Rev. Genet. 2 (12): 956–66. doi:10.1038/35103567. PMID 11733748.
  3. ^ a b Page DR, Grossniklaus U (February 2002). "The art and design of genetic screens: Arabidopsis thaliana". Nat. Rev. Genet. 3 (2): 124–36. doi:10.1038/nrg730. PMID 11836506.
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  16. ^ Gurumurthy, Channabasavaiah B.; Grati, M’hamed; Ohtsuka, Masato; Schilit, Samantha L. P.; Quadros, Rolen M.; Liu, Xue Zhong (1 September 2016). "CRISPR: a versatile tool for both forward and reverse genetics research". Human Genetics. 135 (9): 971–976. doi:10.1007/s00439-016-1704-4. ISSN 1432-1203.
  17. ^ St Johnston, D. (2002). "The art and design of genetic screens: Drosophila melanogaster". Nature Reviews. Genetics. 3 (3): 176–88. doi:10.1038/nrg751. PMID 11972155.

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