V různých typech buněk jsou aktivní různé geny

Studijní text Animace Galerie Video BIO Úkol Odkazy a literatura

Většina živých organismů se skládá z různých druhů buněk, které se specializují na nejrůznější funkce. Například jaterní buňky nemají stejné biochemické povinnosti jako buňky nervové. Přesto má každá buňka organizmu stejný soubor genetických instrukcí. Jak tedy mohou mít různé typy buněk odlišnou strukturu a biochemickou funkci? Vzhledem k tomu, že biochemická funkce je převážně určena specifickými enzymy (proteiny), musí být v rozličných typech buněk zapnuty a vypnuty různé sady genů. Takto se buňky diferencují.

Tato představa o specifické buněčné expresi genů je potvrzena hybridizačními experimenty, které mohou identifikovat jedinečnou mRNA v každém typu buňky. V poslední době DNA čipy a genové čipy nabízejí možnost rychlého vyšetření všech aktivních genů v organismu. Může tak být prozkoumána a testována aktuální exprese genů v reakci na vnější faktory.

Věděli jste, že?

Nejdražší a nejvíc časově náročné jsou při výrobě Affymetrix GeneChipu® filtry, které blokují UV záření v určité oblasti čipu.

Hmmm…

Nejenže různé geny jsou exprimovány v různých buňkách, ale koordinováno je i načasování genové exprese. Jak se to všechno děje?

Galerie

Věděli jste, že?

Technologie GeneChip® je založena na DNA. Metody, kterými se vyrábí proteinové čipy, jsou také používány pro testování protilátek.

Hmm…

GeneChip® bývají srovnávány s počítačovými čipy. Vidíte nějaké podobnosti?

Video

Videa v této kapitole jsou v původním anglickém znění.

Tom Sargent Tom Sargent je vedoucí mikrobiologického výzkumu v oddělení vývoje obratlovců v Laboratoři Molekulární genetiky pod Národním ústavem zdraví a vývoje dětí (National Institute of Child Health and Development, National Institutes of Health).

Patrick Brown Dr. Patrick Brown je profesorem biochemie na fakultě medicíny na univerzitě ve Stanfordu.

Igor Dawid a Tom Sargent provedli první diferenciační studie genové exprese s použitím cDNA. Pat Brown a Steve Fodor změnili způsob, jakým mohou být prozkoumávány genomy pomocí DNA čipů a GeneChipů&.

Igor Dawid (1935-)

Igor Dawid se narodil ve střední Evropě v části bývalého Rumunska, která je však dnes součástí Ukrajiny. Nenastala žádná převratná událost nebo okamžik, které by odstartovaly jeho vědeckou kariéru, zejména proto, že na střední škole neměl mnoho přírodovědných předmětů. Nicméně naznal, že věda je zajímavá a důležitá. Po druhé světové válce odešel Dawid studovat do Vídně.

Vídeňská univerzita neměla učební plány pro biochemii, a proto mu dala na výběr mezi biologií a chemií. Dawid si vybral chemii. Své doktorské studium chemie dokončil v roce 1960. V té době si uvědomil, že jestli chce podpořit svou další kariéru, musí jít pracovat do Spojených států. S pomocí svého doktorského školitele získal postdoktorskou pozici na Massachusetts Institute of Technology. Bylo to právě zde, kde vzrostl jeho zájem o biochemii. Přečetl si článek v časopise, který hovořil o izolaci „faktoru,“ který změnil osud dané tkáně. I když byl článek o několik měsíců později stažen, vzbudil u Dawida zájem a rozhodl se jít do Woods Hole na kurz v této rychle se rozvíjející oblasti o tkáňově-specifických genech.

Ve Woods Hole potkal Dawid Jamese Eberta, ředitele Carnegie Institutu a později ředitele Woods Hole. Ebert pozval Dawida, aby pracoval v Carnegie. V roce 1962 se Dawid stal členem a pracoval s Donem Brownem. Brown používal ke studiu vývoje tradiční embryologický model, žábu. Žabí embrya jsou velká a změny jsou snadno viditelné. Také toho bylo hodně známo o různých stádiích vývoje žáby. Dawid přijal žáby jako modelový systém a pokračoval s jejich používáním, i když se přestěhoval do Národního ústavu zdraví roku 1978.

Tom Sargent se připojil k jeho laboratoři na začátku osmdesátých let a spolu začali pracovat na Sargentově myšlence izolace odlišně exprimovaných mRNA v různých stádiích embryonálního vývoje žáby. Technika subtraktivní mRNA nejenže zachytí mnoho mRNA specifických pro dané stádium, ale je překvapivě spolehlivá i v tom, že diferenciační knihovny jsou velmi málo kontaminovány vzorky jiných stádií.

Od roku 1982 je Dawid vedoucí Laboratoře molekulární genetiky na National Institute of Child Health and Human Development, kde také po dobu dvou let vykonával funkci vědeckého ředitele. Jeho laboratoř je součástí oddělení Laboratoře molekulární genetiky a pracuje na diferenciální expresi genů u žab a zebřičky.

Dawid je šéfeditor a nyní slouží v poradním výboru pro vědecké časopisy jako je Developmental Biology a Proceedings of the National Academy. V roce 2008 mu byla udělena cena za celoživotní dílo od Society for Developmental Biology. Je spolupracovníkem také jiných časopisů jako je Cell Genes nebo Development. Má rád klasickou hudbu a je fanouškem opery.

Thomas Dean Sargent (1953-)

Tom Sargent se narodil v Indianapolis v Indianě (ve stejný rok jako struktura DNA). Jako dítě se vždycky zajímal o vědu. Když mu bylo 12 let, tak mu rodinný přítel dal první vydání učebnice od Jamese Watsona „Molecular Biology of the Gene“. Sargent podrobně po celé měsíce studoval text knihy, která byla určena pro vysokoškolské studenty.

Sargent shledal biologii tak fascinující, že si ji vybral pro studium na univerzitě v Indianě. Po absolvování odešel pracovat na California Institute of Technology. V té době bylo klonování genů „novou“ technologií. Příchod Toma Maniatise, který jako první klonoval savčí gen, na Caltech, inspiroval mnoho postgraduálních studentů včetně Sargenta. Ten přešel k projektům, které se věnovaly právě klonování genů. Sargent dokončil doktorské studium v roce 1981 tím, že klonoval a charakterizoval gen pro krysí sérový albumin.

V té době se zatím na Caltechu Sargent a další, včetně Marka Davise a Davida Cohena, stali známými díky diferenciální genové expresi. Pro svou postdoktorskou práci Sargent hledal organismus, u něhož by mohl snadno udělat knihovnu genů, které se exprimují v různých stádiích vývoje. Jednou se dal do hovoru s Igorem Dawidem, který studoval vývoj žabích embryí. Dawid ho okamžitě najal jako svého postdoktoranda. Vyvinuli systém subtraktivní knihovny, která využívala žabí molekuly mRNA, téměř současně s Davidem a Cohenem, kteří používali podobnou metodu na to, aby se podívali na specifickou expresi genů v T-buňkách. Sargent a Dawid publikovali své výsledky jako první. Protože bylo ale klonováno dosud tak málo genů, nebylo v jejich knihovně příliš mnoho identifikovatelných klonů; byla tam taky spousta genů „neznámých“ a některé keratinové geny. Od té doby se ty „neznámé“ geny podařilo identifikovat jako homeoboxové geny a další typy regulačních genů. Sargent stále pracuje na epidermálním vývoji, což je první tkáň, která se u žáby formuje.

Sargent je v současné době vedoucí mikrobiologického výzkumu v oddělení vývoje obratlovců v Laboratoři molekulární genetiky, NICHD, NIH. Také vyučuje genetiku na univerzitě George Washingtona. Ve volném čase si Sargent libuje v práci se dřevem.

Patrick Henry Brown (1954–)

Pat Brown se narodil ve Washingtonu, D.C. Byl dobrý student, ale nebyl si úplně jistý, že by chtěl být vědcem. Byl zvědavý, jak věci fungují, a chtěl pomáhat lidem. Přišlo mu tedy přirozené mít znalosti v obou disciplínách, a tak v roce 1980 získal titul Ph.D. z biochemie a v roce 1982 titul z medicíny. Oba tituly získal na univerzitě v Chicagu.

Ačkoliv stále ještě nebyl rozhodnutý, jestli se bude naplno věnovat výzkumu nebo kariéře lékaře, začal Brown pracovat jako stážista na oddělení pediatrie v Dětské nemocnici v Chicagu. Během svého tříletého pobytu, kdy pracoval se svými pacienty, si Brown uvědomil, že jeho zvědavost o tom, jak věci fungují, by mohla pomoct k pochopení vzniku genetických poruch. Co přesně dělá jednu osobu odlišnou od druhé a jaký je praktický způsob využití těchto rozdílů?

Brown se vrátil zpátky k výzkumu. V roce 1985 odstartovat tříletou postdoktorskou spolupráci s J. Michaelem Bishopem na University of California v San Franciscu. Poté si Brown zařídil svou vlastní laboratoř a stal se výzkumným pracovníkem na Lékařském Institutu Howarda Hughese. Je profesorem na Ústavu Biochemie Lékařské fakulty Univerzity ve Stanfordu.

Brown nikdy nezapomněl na myšlenku „genetických rozdílů.“ Začal přemýšlet o proveditelnosti a užitečnosti porovnání DNA celých organismů jednoho s druhými. Když vědci porovnají sekvence DNA jednotlivých genů, tak dostanou informace o genetické podobnosti, evoluční historii a zachování funkcí. Brown chtěl tyto informace o jednotlivých genech organismu rozšířit o srovnání s těmi ostatními. To by poskytlo informace o variabilitě genové exprese a vývoje, které nemůžou být získány pouhým porovnáním jednotlivých sekvencí. Začal uvažovat o myšlence DNA čipu, který ponese DNA vzorky ve sloupcích a řádcích.

Od samého počátku tohoto projektu měl Brown velmi jasnou představu o tom, co potřebuje. Příprava vzorků musí být levná, snadno proveditelná a uživatelsky přívětivá. Jeho první spolupráce s technikem se nezdařila, protože příprava DNA čipu byla příliš „technicky“ složitá. Nakonec vzniklo zařízení v designu elegantního plnicího pera. Roztok obsahující DNA je nasát do pera a vtisknut na sklíčko. Díky počítačové automatizaci mohou tyto DNA čipy nést až 80 000 vzorků, což je více než odhadované celkové množství genů, které tvoří lidskou bytost.

V roce 1995 Brown publikoval první z mnoha článků, v kterých využíval DNA čipů k analýze exprese. Pořádal semináře o výrobě DNA čipů a protokoly jsou dostupné i na jeho webu.

Brown je zastáncem svobody informací a figuroval také v PubMed Central Advisory Committee. Ten se zabývá tématy elektronické výměny, uchování a šíření vědeckých informací. Dále se zabývá poskytováním a prosazováním elektronické výměny zdarma.

Pokud Brown nepracuje, tak rád tráví čas se svou rodinou zejména s dětmi. Také rád běhá a účastní se místních maratonů.

Stephen P. A. Fodor (1953-)

Steve Fodor se narodil v Seattlu ve státě Washington. Jeho otec byl lékař a Fodor neměl v plánu jít na vysokou školu, přestože to bylo to, co se od něj očekávalo. Místo toho trávil čas prací na bramborové farmě a oddával se jeho oblíbené činnosti – chytání much.

Fodor se nakonec rozhodl na vysokou školu odejít. Bakalářský titul z biologie získal na Washington State University. Potom pokračoval v magisterském studiu biochemie. Fodor následně odešel na Princeton a roku 1985 zde získal titul Ph.D. z chemie. Po celou dobu jeho pregraduální a postgraduální kariéry bylo o Fodorovi známo, že má „zlaté ruce“. Byl schopen vyladit techniky tak, že opravdu fungovaly.

Fodor dělal svou postdoktorskou práci na University of California v Berkeley a bylo to právě zde, kde v roce 1989 v Affymax Research Institute v Palo Alto najímali nové pracovníky. Byla v něj vložena důvěra, aby vyvinul proces generování miniaturních vysoce hustotních čipů s biologickými složkami. To vedlo k vývoji prvního DNA GeneChipu® a techniky, jak číst a analyzovat tyto čipy při velkých genomických studiích. Proces prošel zdokonalováním od prvních dnů a byl publikován jako článek „Light-directed, Spatially Addressable Parallel Chemical Synthesis -- the first look at high-density microarray technology and combinatorial chemistry“ v roce 1991 v únorovém čísle časopisu Science. Fodor se svými spolupracovníky obdržel v roce 1992 za svou práci cenu AAAS' Newcomb Cleveland Award. Dnes jsou na GeneChipu® analyzovány genomy a celé organismy jako kvasinky. Úspěch GeneChipu® také vedl Affymax k vytvoření „spin off“ společnosti Affymetrix Inc. Ta se od roku 1993 soustředí na výrobu a analýzu GeneChipů®.

Fodor je zakladatel a předseda Affymetrix Inc. Získal řadu ocenění za svou práci a rozvoj GeneChipu® zahrnující také v roce 2002 Takeda Foundation Award, v roce 2002 Economist Innovation Award for Nanotechnology a v roce 2002 Oxford Bioscience Award. Fodor také působí v představenstvu Directors for Sunesis Pharmaceuticals, Inc., Perlegen, Inc., a v představenstvu Trusteess of the Carnegie Institute of Washington.

Věděli jste, že?

Technologie GeneChip® je dostatečně citlivá pro detekci rozdílů i v jednom páru bází, avšak hybridizační podmínky musí být naprosto ideální.

Hmmm…

A-T páry mají dvě vodíkové vazby a G-C páry mají tři. Jak to může ovlivnit vazbu DNA na GeneChip® zvláště pokud je rozdíl v jednom nukleotidu z A na G?

Odkazy a literatura

Webová stránka laboratoře Dr. Pata Browna
Brownova stránka obsahuje přesné instrukce, jak si vyrobit svůj vlastní DNA čip a skener. Také zde můžeme najít fotky a vědecké články o technologii DNA mikročipů. DNA Microarry, Genome Chip
Tento web obsahuje seznam odkazů, novinek a dalších informací, které se týkají DNA čipů a GeneChipů®.

• Alizadeh, A.A., Elsen, M.B., et al., 2000, Distinct Types of Diffuse large B-cell Lymphona Identified by Gene Expression Profiling, Nature, 403: 503-511.
• Chee, M., Yang, R., et al., 1996, Accessing Genetic Information with High-Density DNA Arrays, Science, 274: 610-614.
• Dawid, I.B. and Sargent, T.D., 1988, Xenopus laevis in Developmental and Molecular Biology, Science, 240: 1443-1447.
• Fodor, S.P.A. and Read, J.L., et al., 1991, Light-Directed, Spatially Addressable Parallel Chemical Synthesis, Science, 251: 767-772.
• Iyer, V.R., et.al., 1999, The Transcriptional Program in the Response of Human Fibroblasts to Serum, Science, 283: 83-87.
• Jamrich, M., Sargent, T.D., and Dawid, I.B., 1985, Altered Morphogenesis and Its Effects on Gene Activity in Xenopus laevis Embryos, Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol., 50: 31-35.
• Liotta, L., and Petricoin, E., 2000, Molecular Profiling of Human Cancer, Nature Review, 1: 48-56.
• Sargent, T.D. and Dawid, I., 1983, Differential Gene Expression in the Gastrula of Xenopus laevis, Science, 222: 135-139.
• Schena, M., Shalon, D., Davis, R.W., Brown, P.O., 1995, Quantitative Monitoring of Gene Expression Patterns with a Complementary DNA Microarray, Science, 270: 467-470.
• Winzeler, E.A., Richards, D.R., et al., 1998, Direct Allelic Variation Scanning of the Yeast Genome, Science, 281: 1194-1197.
• Gilbert, Scott F., 1988, Developmental Biology, Second Edition, Sinauer Associates, Inc., Sunderland, Mass.

RNDr. Pavel Lízal, Ph.D., Mgr. Zuzana Hanzelková a kolektiv |
ÚEB, Přírodovědecká fakulta, Masarykova univerzita |
Mendelovo muzeum, Masarykova univerzita |
Návrat na úvodní stránku webu, přístupnost |

| Technická spolupráce:
| Servisní středisko pro e-learning na MU
| Fakulta informatiky Masarykovy univerzity, 2013

Centrum interaktivních a multimediálních studijních opor pro inovaci výuky a efektivní učení | CZ.1.07/2.2.00/28.0041

Nahoru