انواع پژوهش: ابزارهای ژنتیک؛ ژنتیک در بیماری‌های عصبی

TOOLS FOR GENETICS

The human genome is made up of 3 billion pairs of DNA letters or “bases.” This multitude of adenine (A), cytosine (C), guanine (G), and thymine (T) bases comprises an estimated 20,000 genes that spell out instructions for making proteins, along with regulatory and other non-coding DNA regions whose functions are not fully known. Scientists study genetics in many ways, such as following diseases or other traits through family pedigrees or identifying the exact order of DNA bases (the DNA “sequence”) that code for a given trait. More recent genetic tools enable scientists to manipulate genes and other genetic features to better understand how the brain works and how to treat it in cases of dysfunction or disease.

ابزارهای ژنتیک

ژنوم انسان از ۳ میلیارد جفت حرف یا “باز” ​​DNA تشکیل شده است. این انبوه از بازهای آدنین (A)، سیتوزین (C)، گوانین (G) و تیمین (T) شامل حدود ۲۰۰۰۰ ژن است که دستورالعمل‌های ساخت پروتئین‌ها را به همراه مناطق تنظیمی و سایر مناطق غیر کدکننده DNA که عملکرد آنها به طور کامل شناخته نشده است، بیان می‌کنند. دانشمندان ژنتیک را از بسیاری جهات مطالعه می‌کنند، مانند دنبال کردن بیماری‌ها یا سایر صفات از طریق شجره‌نامه‌های خانوادگی یا شناسایی ترتیب دقیق بازهای DNA (“توالی” DNA) که یک صفت خاص را کد می‌کنند. ابزارهای ژنتیکی جدیدتر، دانشمندان را قادر می‌سازد تا ژن‌ها و سایر ویژگی‌های ژنتیکی را دستکاری کنند تا نحوه عملکرد مغز و نحوه درمان آن را در موارد اختلال عملکرد یا بیماری بهتر درک کنند.

Scientists often don’t know which gene or other DNA feature controls a trait. At the outset, a particular trait could be encoded on any of the 23 pairs of chromosomes in a typical human cell. But with genetic linkage studies, researchers have begun to map gene locations. First, researchers must identify another trait with a known chromosomal location that tends to be inherited with or “linked” to the trait of interest. This technique, which narrows down the likely location of the gene of interest, was the first step toward identifying the genetic basis of many neurological disorders.

دانشمندان اغلب نمی‌دانند کدام ژن یا ویژگی دیگر DNA یک ویژگی را کنترل می‌کند. در ابتدا، یک ویژگی خاص می‌تواند روی هر یک از ۲۳ جفت کروموزوم در یک سلول معمولی انسان رمزگذاری شود. اما با مطالعات پیوند ژنتیکی، محققان شروع به نقشه‌برداری از مکان‌های ژن کرده‌اند. ابتدا، محققان باید ویژگی دیگری را با یک مکان کروموزومی شناخته شده که تمایل به ارث بردن با ویژگی مورد نظر یا “مرتبط” با آن دارد، شناسایی کنند. این تکنیک که مکان احتمالی ژن مورد نظر را محدود می‌کند، اولین گام در جهت شناسایی اساس ژنتیکی بسیاری از اختلالات عصبی بود.

When you think about mutations, you probably think of harmful changes in one or several DNA bases within a gene. But some disorders result from an overabundance of copies or repeats of a stretch of DNA. This is the case with Huntington’s disease.

وقتی به جهش‌ها فکر می‌کنید، احتمالاً به تغییرات مضر در یک یا چند باز DNA در یک ژن فکر می‌کنید. اما برخی از اختلالات ناشی از فراوانی بیش از حد کپی‌ها یا تکرارهای یک قطعه DNA است. این مورد در مورد بیماری هانتینگتون صدق می‌کند.

The normal HTT gene has about a dozen repeats of a small stretch of DNA within the gene, but Hunting- ton’s patients can have more than 100 of these repeats. Researchers now use DNA chips or microarrays to identify such variations in copy number. The “array” of a microarray refers to the thousands of spots arrayed in rows and columns on the surface of the chip; each spot contains a known DNA sequence or gene, which can grab onto corresponding bits of the genome being analyzed. Using this tool, scientists are able to compare DNA samples of two people, perhaps one healthy and one with a disorder, to see if certain pieces of DNA are repeated more in one person than in the other. Another type of microarray helps researchers determine if a patient has a chromosomal translocation – a chunk of a chromosome that has been misplaced onto another chromosome.

ژن HTT طبیعی حدود دوازده تکرار از یک قطعه کوچک DNA درون ژن دارد، اما بیماران هانتینگتون می‌توانند بیش از ۱۰۰ تکرار از این تکرارها داشته باشند. محققان اکنون از تراشه‌های DNA یا ریزآرایه‌ها برای شناسایی چنین تغییراتی در تعداد کپی استفاده می‌کنند. “آرایه” یک ریزآرایه به هزاران نقطه‌ای که در ردیف‌ها و ستون‌ها روی سطح تراشه قرار گرفته‌اند اشاره دارد. هر نقطه حاوی یک توالی یا ژن DNA شناخته شده است که می‌تواند به بخش‌های مربوطه از ژنوم مورد تجزیه و تحلیل متصل شود. با استفاده از این ابزار، دانشمندان می‌توانند نمونه‌های DNA دو نفر، شاید یکی سالم و دیگری مبتلا به یک اختلال، را مقایسه کنند تا ببینند آیا قطعات خاصی از DNA در یک فرد بیشتر از فرد دیگر تکرار می‌شود یا خیر. نوع دیگری از ریزآرایه به محققان کمک می‌کند تا تعیین کنند که آیا بیمار دارای جابجایی کروموزومی است یا خیر – تکه‌ای از یک کروموزوم که به اشتباه روی کروموزوم دیگری قرار گرفته است.

Recent years have seen great advances in DNA sequencing methods, allowing researchers to more efficiently and affordably explore the exact DNA sequence that might underlie brain disorders. In the early 2000s, the Human Genome Project made public the vast majority of the human genome sequence; in the years that followed, the science of genomics has enhanced scientists’ understanding of brain function at the level of genes, cells, and circuits. Genomics can help identify genetic variations that cause conditions ranging from depression to schizophrenia to movement disorders.

سال‌های اخیر پیشرفت‌های بزرگی در روش‌های تعیین توالی DNA دیده شده است که به محققان اجازه می‌دهد توالی دقیق DNA را که ممکن است زمینه‌ساز اختلالات مغزی باشد، به طور مؤثرتر و مقرون به صرفه‌تری بررسی کنند. در اوایل دهه ۲۰۰۰، پروژه ژنوم انسان بخش عمده‌ای از توالی ژنوم انسان را منتشر کرد؛ در سال‌های پس از آن، علم ژنومیک درک دانشمندان از عملکرد مغز در سطح ژن‌ها، سلول‌ها و مدارها را افزایش داده است. ژنومیک می‌تواند به شناسایی تغییرات ژنتیکی که باعث ایجاد بیماری‌هایی از افسردگی گرفته تا اسکیزوفرنی و اختلالات حرکتی می‌شوند، کمک کند.

Genetics research now goes far beyond reading the sequence of bases in the genome. In the last few years, scientists have harnessed a molecular tool that can edit the genome more precisely and efficiently than was previously possible. This tool, called CRISPR (which stands for Clustered Regularly Interspaced Short Palin dromic Repeats), evolved as a bacterial immune system that targets viral invaders. Scientists have harnessed CRISPR’s components to home in on specific DNA sequences in lab animals and human cell cultures. By tethering DNA-cutting enzymes to this targeting system, scientists can recreate mutations found in patients with neurological disorders, or even insert new bits of DNA to test their effect. With CRISPR, scientists have been able to mimick Alzheimer’s in rodents, in order to study the disease and its potential treatments. CRISPR is also used to study mutated human neurons in Petri dishes. Researchers can observe how mutations that cause autism, Parkinson’s disease, or other conditions affect neuronal growth and function.

تحقیقات ژنتیک اکنون فراتر از خواندن توالی بازها در ژنوم است. در چند سال گذشته، دانشمندان ابزاری مولکولی را به کار گرفته‌اند که می‌تواند ژنوم را دقیق‌تر و کارآمدتر از آنچه قبلاً ممکن بود، ویرایش کند. این ابزار که CRISPR (مخفف Clustered Regularly Interspaced Short Palin dromic Repeats) نام دارد، به عنوان یک سیستم ایمنی باکتریایی تکامل یافته است که مهاجمان ویروسی را هدف قرار می‌دهد. دانشمندان اجزای CRISPR را برای هدف قرار دادن توالی‌های خاص DNA در حیوانات آزمایشگاهی و کشت‌های سلولی انسان مهار کرده‌اند. با اتصال آنزیم‌های برش‌دهنده DNA به این سیستم هدف‌گیری، دانشمندان می‌توانند جهش‌های یافت شده در بیماران مبتلا به اختلالات عصبی را بازسازی کنند یا حتی قطعات جدیدی از DNA را برای آزمایش اثر آنها وارد کنند. با CRISPR، دانشمندان توانسته‌اند آلزایمر را در جوندگان تقلید کنند تا این بیماری و درمان‌های بالقوه آن را مطالعه کنند. CRISPR همچنین برای مطالعه نورون‌های جهش‌یافته انسان در ظروف پتری استفاده می‌شود. محققان می‌توانند مشاهده کنند که چگونه جهش‌هایی که باعث اوتیسم، بیماری پارکینسون یا سایر بیماری‌ها می‌شوند، بر رشد و عملکرد نورونی تأثیر می‌گذارند.

Optogenetics is another fascinating intersection of genetic tools with brain science. This ingenious technique allows researchers to control brain activity with flashes of light. Scientists genetically modify a lab animal like a mouse so that its neurons produce a light-responsive protein. Then, optical fibers are inserted into the brain to allow light to shine on those neurons — either activating or silencing them. Optogenetics has helped scientists better understand how neurons work together in circuits. This technique has also been used to control animal behaviors ranging from sleep to drug addiction.

اپتوژنتیک یکی دیگر از تقاطع‌های جذاب ابزارهای ژنتیکی با علم مغز است. این تکنیک مبتکرانه به محققان اجازه می‌دهد تا فعالیت مغز را با تابش نور کنترل کنند. دانشمندان یک حیوان آزمایشگاهی مانند موش را از نظر ژنتیکی اصلاح می‌کنند تا نورون‌های آن پروتئینی حساس به نور تولید کنند. سپس، فیبرهای نوری به مغز وارد می‌شوند تا نور به آن نورون‌ها بتابد – یا آنها را فعال یا غیرفعال کند. اپتوژنتیک به دانشمندان کمک کرده است تا نحوه همکاری نورون‌ها در مدارها را بهتر درک کنند. این تکنیک همچنین برای کنترل رفتارهای حیوانات از خواب گرفته تا اعتیاد به مواد مخدر استفاده شده است.

Oddly enough, genetics is not always about genes. As mentioned above, much of the human genome contains DNA sequences that are not genes, whose job is to regulate gene activity. These regulatory sequences, and the enzymes that make changes to them, help determine under what conditions (in what cells, at what age, etc.) a gene is expressed or repressed. These epigenetic changes occur in cells when chemical tags are placed on the regulatory regions of certain genes; the tags influence whether those genes will be turned on or off. In the past decade, epigenetics research has begun to clarify the role of gene regulation in brain development and learning. Epigenetics has also revealed how mutations in the regulatory regions of DNA can cause disease, just as mutations can in genes.

به طرز عجیبی، ژنتیک همیشه در مورد ژن‌ها نیست. همانطور که در بالا ذکر شد، بخش زیادی از ژنوم انسان حاوی توالی‌های DNA است که ژن نیستند و وظیفه آنها تنظیم فعالیت ژن است. این توالی‌های تنظیمی و آنزیم‌هایی که در آنها تغییراتی ایجاد می‌کنند، به تعیین اینکه تحت چه شرایطی (در چه سلول‌هایی، در چه سنی و غیره) یک ژن بیان یا سرکوب شود، کمک می‌کنند. این تغییرات اپی‌ژنتیکی در سلول‌ها زمانی رخ می‌دهند که برچسب‌های شیمیایی روی نواحی تنظیمی ژن‌های خاص قرار می‌گیرند؛ این برچسب‌ها بر روشن یا خاموش شدن آن ژن‌ها تأثیر می‌گذارند. در دهه گذشته، تحقیقات اپی‌ژنتیک برای روشن کردن نقش تنظیم ژن در رشد و یادگیری مغز آغاز شده است. اپی‌ژنتیک همچنین نشان داده است که چگونه جهش در نواحی تنظیمی DNA می‌تواند باعث بیماری شود، همانطور که جهش در ژن‌ها می‌تواند.

Genetics in Neurological Diseases

The impact of mutations varies from person to person, and from disease to disease. A particular mutation might explain some cases of a disorder but not others, or it could be only one of several genetic changes affect- ing a patient. Lissencephaly is a brain malformation in which the surface of the brain is smooth, unlike normal brains whose surfaces have ridges and grooves. It affects development. Babies with lissencephaly start having spasms in the first months of life and develop drug-resistant epilepsy and severe intellectual and motor disabilities. Although about 70 percent of these patients have mutations in the LIS1 gene, at least two other mutations have been associated with the condition. Another complex genetic condition, Kabuki syndrome, is marked by intellectual disabilities, a distinctive facial appearance, slow growth in infancy, and other physical problems. Kabuki syndrome is hard to diagnose because some symptoms, such as intellectual disability, range from mild to severe. DNA sequencing has found that most patients, but not all, have mutations in the KMT2D gene – and some patients carry the mutations in only some of their cells. In addition, people with Kabuki syndrome may have mutations in other genes that function like KMT2D.

ژنتیک در بیماری‌های عصبی

تأثیر جهش‌ها از فردی به فرد دیگر و از بیماری به بیماری دیگر متفاوت است. یک جهش خاص ممکن است برخی از موارد یک اختلال را توضیح دهد اما برخی دیگر را نه، یا می‌تواند تنها یکی از چندین تغییر ژنتیکی باشد که بر یک بیمار تأثیر می‌گذارد. لیسنسفالی یک ناهنجاری مغزی است که در آن سطح مغز صاف است، برخلاف مغزهای طبیعی که سطوح آنها دارای برآمدگی‌ها و شیارهایی است. این ناهنجاری بر رشد تأثیر می‌گذارد. نوزادان مبتلا به لیسنسفالی در ماه‌های اول زندگی دچار اسپاسم می‌شوند و به صرع مقاوم به دارو و ناتوانی‌های شدید فکری و حرکتی مبتلا می‌شوند. اگرچه حدود 70 درصد از این بیماران جهش‌هایی در ژن LIS1 دارند، حداقل دو جهش دیگر با این بیماری مرتبط بوده‌اند. یک بیماری ژنتیکی پیچیده دیگر، سندرم کابوکی، با ناتوانی‌های فکری، ظاهر متمایز صورت، رشد آهسته در دوران نوزادی و سایر مشکلات جسمی مشخص می‌شود. تشخیص سندرم کابوکی دشوار است زیرا برخی از علائم، مانند ناتوانی فکری، از خفیف تا شدید متغیر است. توالی‌یابی DNA نشان داده است که اکثر بیماران، اما نه همه، دارای جهش در ژن KMT2D هستند – و برخی از بیماران این جهش‌ها را فقط در برخی از سلول‌های خود دارند. علاوه بر این، افراد مبتلا به سندرم کابوکی ممکن است جهش‌هایی در ژن‌های دیگری داشته باشند که مانند KMT2D عمل می‌کنند.

It is also possible for a person to carry a mutation but exhibit no outward signs. Fragile X syndrome, the most common form of congenital intellectual disability in males, is caused by an excessive number of DNA sequence (CGG) repeats within the FMR1 gene. The protein product of the FMR1 gene, which is important for synapse function, is disrupted by these repeats. While some people with elevated numbers of the sequence repeats may not be affected, they are carriers with a risk of passing it on to their children.

همچنین ممکن است فردی حامل جهش باشد اما هیچ علامت ظاهری از خود نشان ندهد. سندرم X شکننده، شایع‌ترین شکل ناتوانی ذهنی مادرزادی در مردان، ناشی از تعداد بیش از حد تکرارهای توالی DNA (CGG) در ژن FMR1 است. محصول پروتئینی ژن FMR1 که برای عملکرد سیناپس مهم است، توسط این تکرارها مختل می‌شود. در حالی که برخی از افراد با تعداد بالای تکرارهای توالی ممکن است تحت تأثیر قرار نگیرند، اما حامل‌هایی هستند که خطر انتقال آن به فرزندانشان را دارند.