Проєкт з біології "Орфанні гени"

Навчальний дослідницький проєкт з біології та екології на тему "Орфанні гени" був створений учнем 9 класу для того, щоб вивчити схеми та методи дослідження генів. Автор робить висновок про те, що методи, які дозволяють визначити функцію ORFan генів існують і широко використовуються. Схема дослідження таких генів суттєво не відрізняється від схеми досліджень інших генів.

Докладніше про проєкт:

Теоретична частина дослідницької роботи з біології про орфанні гени дає обгрунтування поняття "ORFan genes". Учень 9 класу визначив також, що ORFan гени створюють певні складнощі і ставлять рамки досліджень, тож поки їх дослідженням не займається належна частина наукової спільноти.

При виконанні дослідницької роботи (проєкту) про орфанні гени, вивчаючи предмет "біологія" у 9 (10) класі, школяр поглибив свої знання шляхом вивчення і аналізу матеріалу про дослідження функцій генів.

Зміст

1. ORFan genes
2. Вивчення і дослідження функцій генів.
3. Схеми та методи дослідження.
Висновки

ORFan genes назва пішла від гри слів абревіатури ORF (Open Reading Frames), що каже про їх потенційну можливість кодування білків і видозміненого англійського слова orphan що значить “сирота”, що каже про те що це гени у яких не виявлено гомологів в інших еволюційних гілках.

На відміну від несирітських генів, гени сироти зазвичай вважаються унікальними для дуже вузького таксона, в основному виду. Класична модель еволюції базується на дуплікації, перебудові і мутації генів з ідеєю їх спільного походження.

Гени-сироти відрізняються тим, що вони специфічні за походженням без відомої історії загальної дуплікації і перестановки поза їх специфічних видів або клад. Вважається що гени-сироти можуть виникати за допомогою різних механізмів, таких як горизонтальний перенос генів, дуплікація і швидка дивергенція, а також поява гена de novo з некодуючої послідовності. Не дивлячись на їх одинокість вони можуть кодувати функціонально важливі білки. Дослідження таких генів як раз і ускладнено відсутністю гомологів і чіткого еволюційного шляху.

ORFan genes досить складні для вивчення і дослідження їх функцій, з самим знаходженням таких генів у геномі проблем не виникає, а от з виявленням їх призначення та можливої функції виникають складнощі. Основною складністю є відсутність можливого порівняння з генами гомологами і пошуку за призначенням таких генів та можливих поліпептидів, які вони кодують.

Складнощів додає можливість безрезультатності досліджень, через те що такі гени можуть мати зовсім різні шляхи виникнення, а іноді можуть не мати жодної функції, або бути протогеном чи просто не кодувати жодного функціонального білка. Через усі ці причини та ще досі триваючі дискусії на рахунок значення сирітських генів для еволюції вчені рідко приділяють цим генам багато уваги, а здобутки і відкриття з ними пов’язані відбуваються досить рідко.

Тож перейдемо до самої схеми та методів дослідження таких генів. Спершу можна перевірити чи експресується досліджуємий нами ген. Це можна зробити методом ДНК-чіпування з помітками потрібного екстраговного з клітини ланцюгу РНК мітками, таким чином ми дізнаємося про наявність транскрибованої РНК і задіяності у клітині потрібного гену.

Це дозволяє зрозуміти чи є насправді ген “працюючим” і чи не є він протогеном, також таким методом можна дізнатися про кількість експресованої РНК. Такий метод демонструє здатність гену продукувати РНК і можливо білок, що дає можливість використовувати наступні методи.

Для визначення функції ORFan гени можна піддати методу нокауту гену (англ. gene knockout), такий метод молекулярної генетики видаляє, або вимикає ген, тож він не може бути ані трансльований, ані транскрибований. Таким чином можна визначити за яку функцію відповідав такий ген. Метод є ефективним і поширеним не тільки у дослідженні ORFan генів, але має певну специфічність, яку можуть нівелювати, або знизити наступні методи

Тож у якості додаткового чи альтернативного методу можна використати метод нокдауна, який знижує експресію гену, такий метод не має під собою змін у хромосомній будові та будові самого гену, він не вимикає експресію повністю, а лише знижує її для спостереження за випадками у яких повноцінний організм з вимкненим геном розвиватися не зможе.

Інший метод - умовний нокаут використовується у випадках потреби вимкення тканиноспецефічного гену, такий метод підходить для вивчення генів експресія яких відбувається у певних тканинах багатоклітинних піддослідних.

За допомогою гіперекспресії сирітського гену можна спостерігати за наслідками підвищення експресії цікавлячого нас гену. Це може дати розширене уявлення про функції вибраного гену та такий метод може використовуватись, як допоміжний.

У випадку поглиблення результатів для певного функціонального ORFan гену можна провести дослідження з переносом і дослідженням функцій сирітського гену для інших організмів, в основному близькоспоріднених.

Такі дослідження для ORFan генів вже проводилися і мали успіх, японська група вчених досліджувала функції ORFan гену Arabidopsis thaliana і виявила значну функцію і наступне дослідження задіяло вже такий метод переносу цього гену, що збільшило концентрацію білка у кукурудзі та рисі, для яких такий ген звісно не є специфічним, цікавим також є те, що робота такого гену у Arabidopsis thaliana полягала у збільшенні концентрації крохмалю у різушці Талю.

У випадку якщо ген не експресується і не утворює ані РНК, ану білку ми можемо самостійно провести транскрипцію та трансляцію і дослідити властивості РНК та білку in vitro, або використати біоінформатику і передбачити функцію гіпотетичного білка in silico. Технологія передбачення функції білків з невизначеною функцією, або навіть гіпотетичних білків працює досить успішно, тож навіть без фактичного значення у організмі носії гену ми можемо передбачити його функцію.

У рамках роботи над дослідницьким проєктом з біології про орфанні гени ми з'ясували, що методи, які дозволяють визначити функцію ORFan генів існують і широко використовуються. Схема дослідження таких генів суттєво не відрізняється від схеми досліджень інших генів.

ORFan гени створюють певні складнощі і ставлять рамки досліджень, тож поки їх дослідженням не займається належна частина наукової спільноти.