Podcast na Metody analýzy v lidské genetice

Kapitoly

Čtyři úrovně pátrání

Problém v celé knihovně? Chromozomy

Pátrání v rodinné historii

Pod lupou: Geny a kouzlo PCR

Čtení knihy života

Genetika jako lékárna

Další detektivní metody

Testování v našem životě

Shrnutí a na co nezapomenout

Přepis

Natálie: Většina z nás se na zkoušky naučí, co je to DNA. Ale co přesně odlišuje průměrnou známku od té nejlepší? Je to pochopení, jak vlastně vědci a lékaři tu obrovskou genetickou kuchařku čtou. Co dělají, když chtějí zjistit, jestli v receptu na člověka není chyba?

Martin: Přesně tak. A přesně to je ta propast, kterou dneska překleneme.

Natálie: Do konce tohoto dílu budete přesně vědět, jaké nástroje genetici používají, abyste u zkoušky naprosto zazářili. Posloucháte Studyfi Podcast.

Natálie: Martine, začněme od začátku. Představme si, že k lékaři přijde pacient s podezřením na genetické onemocnění. Kde se začne hledat problém?

Martin: Skvělá otázka. Genetickou informaci si můžeme představit jako obrovskou knihovnu. Můžeme zkoumat buď celou knihovnu, tedy všechny chromozomy, jednu konkrétní knihu, což je gen neboli úsek DNA, nebo jestli si z té knihy někdo dělá výpisky, což je RNA. A nakonec, jestli se podle těch výpisků něco uvařilo, a to je protein.

Natálie: Knihovna, kniha, výpisky a uvařené jídlo. To je skvělá analogie! Takže máme čtyři úrovně: chromozom, gen, RNA a protein.

Martin: Přesně. A na každou úroveň máme jiné detektivní nástroje.

Natálie: Dobře, začněme tedy u té největší úrovně – u celé knihovny. Jak zjistíme, jestli není problém v chromozomech? Třeba jestli nějaký nechybí nebo nepřebývá?

Martin: Tady přichází na řadu cytogenetika. Základní metodou je sestavení karyotypu. To si představ jako fotku všech chromozomů v buňce, seřazených podle velikosti. Pod mikroskopem takhle odhalíme třeba Downův syndrom, kde přebývá 21. chromozom.

Natálie: A odkud se ty buňky berou? To zní docela invazivně.

Martin: Získávají se z krve, nebo v případě prenatální diagnostiky z plodové vody či choriových klků. To je ten odběr, kterému se říká amniocentéza.

Natálie: Rozumím. A co když je problém menší? Něco, co na téhle „fotce“ není vidět?

Martin: Pak použijeme metodu FISH. To je zkratka pro fluorescenční in situ hybridizaci. Zní to složitě, že?

Natálie: Upřímně, ano. Zní to jako něco z vědeckofantastického filmu.

Martin: Ve skutečnosti je princip docela elegantní. Použijeme speciální barevné sondy, které se přichytí jen na konkrétní místo na chromozomu. Když se nějaká část chromozomu ztratí, sonda se nemá kam přichytit a nesvítí. A naopak. Je to takové genetické zvýrazňování textu.

Natálie: Aha! Takže hledáme chybějící nebo přebývající barevné značky. A co je ta třetí metoda, CGH?

Martin: Komparativní genomová hybridizace neboli CGH porovnává DNA pacienta s DNA zdravého, kontrolního vzorku. Dokáže odhalit i velmi malé ztráty nebo naopak namnožení kousků genetického materiálu. To je klíčové třeba u diagnostiky některých vrozených vad nebo nádorů.

Natálie: Než se ponoříme hlouběji do genů, co taková klasika jako rodokmeny? Pořád se to používá?

Martin: Rozhodně! Rodokmenová analýza je stále základní pozorovací metodou. Sledujeme, jak se určitý znak nebo nemoc předává z generace na generaci. Tím můžeme určit typ dědičnosti – jestli je dominantní, recesivní, nebo vázaná na pohlavní chromozomy.

Natálie: Takže když se v rodině opakuje třeba cystická fibróza, rodokmen nám napoví, jaké je riziko pro další potomky?

Martin: Přesně tak. Je to klíčový nástroj pro genetické poradenství.

Natálie: Dobře, opusťme chromozomy a zaměřme se na jednu konkrétní „knihu“ – na gen. Co když je problém tam? Jak zjistíme, jestli gen vůbec existuje nebo jestli v něm není překlep, tedy mutace?

Martin: Tady přichází na scénu molekulární biologie a její asi nejslavnější metoda: PCR neboli polymerázová řetězová reakce.

Natálie: Tu zkratku slýcháme všude, hlavně v souvislosti s testováním na různé nemoci. Co to ale vlastně je?

Martin: V podstatě je to genetická kopírka. Dokáže z jednoho jediného kousku DNA vytvořit miliony až miliardy kopií během pár hodin. Takže i když máme jen nepatrné množství materiálu, můžeme ho namnožit a pak pohodlně analyzovat.

Natálie: Jak ta kopírka funguje?

Martin: Má to tři jednoduché kroky, které se cyklicky opakují. První je denaturace – DNA se zahřeje a její dva řetězce se od sebe oddělí. Druhý krok je připojení primerů – teplota se sníží a na DNA se navážou krátké startovací sekvence. A třetí je elongace – enzym zvaný polymeráza začne od primerů kopírovat DNA. A tohle se opakuje třeba třicetkrát, čtyřicetkrát.

Natálie: A s každým cyklem se počet kopií zdvojnásobí. Geniální! Kdo tohle vymyslel?

Martin: Kary Mullis v roce 1983. A je s tím spojená zajímavá historka. Za tenhle objev, který změnil svět, dostal v roce 1993 Nobelovu cenu. Ale od firmy, pro kterou tehdy pracoval, dostal bonus pouhých 10 000 dolarů. Firma pak patent prodala za 300 milionů.

Natálie: Počkat, cože? Takže vynalezl stroj na peníze pro celý biotechnologický průmysl a dostal za to odměnu jako za ojeté auto?

Martin: Přesně tak! Je to jeden z nejslavnějších finančních přešlapů v historii vědy. Ale jeho objev je naprosto zásadní.

Natálie: Takže máme namnoženou DNA pomocí PCR. Jak teď zjistíme, jestli je v ní ten „překlep“? Jak přečteme její sekvenci?

Martin: K tomu slouží sekvenování. Dlouho byl zlatým standardem Sangerův sekvenátor. Ten čte DNA písmenko po písmenku, ale je to pomalé a hodí se spíš pro krátké úseky.

Natálie: A dnes? Máme něco rychlejšího?

Martin: Máme. Jmenuje se to Next-Generation Sequencing, neboli NGS. To je úplná revoluce. Představ si Sangerovo sekvenování jako čtení jedné stránky v knize. NGS je jako kdybys naskenovala celou knihovnu najednou a pak v počítači hledala chyby.

Natálie: Páni. Takže s NGS můžeme přečíst celý lidský genom relativně rychle a levně?

Martin: Přesně. DNA se nejdřív rozláme na miliony malých kousků, ty se namnoží a pak se všechny čtou současně. Počítač je pak složí dohromady jako obří puzzle. Takhle dnes diagnostikujeme vzácná genetická onemocnění nebo analyzujeme nádory, abychom mohli nasadit cílenou léčbu.

Natálie: To je neuvěřitelné. Ale co klonování genů? To zní trochu děsivě, jako z Jurského parku.

Martin: Neboj, dinosaury zatím neklonujeme. V medicíně má klonování genů úplně jiný význam. Jde o to, že vezmeme nějaký užitečný gen, třeba ten pro lidský inzulin, vložíme ho do nějakého nosiče, třeba do plazmidu, a ten pak vpravíme do bakterie. Třeba do E. coli.

Natálie: A ta bakterie pak začne ten lidský inzulin vyrábět?

Martin: Přesně! Stane se z ní taková miniaturní továrna na lék. Dříve se inzulin získával ze slinivek prasat, což bylo drahé a mohlo způsobovat alergie. Dnes díky klonování vyrábíme čistý lidský inzulin, který je dostupný pro miliony diabetiků po celém světě. To je síla genetiky v praxi.

Natálie: Zpátky k našemu pacientovi. Máme metody na chromozomy a geny. Ale co ty další úrovně, RNA a proteiny?

Martin: Výborně, že se ptáš. I tam máme své nástroje. Když chceme vědět, jestli je gen aktivní – tedy jestli se z něj dělají ty „výpisky“ neboli RNA – použijeme metodu zvanou Northern blot.

Natálie: A když chceme zjistit, jestli se podle výpisků i „uvařilo“, tedy jestli vznikl protein?

Martin: Tak na to máme Western blot. Ten pomocí specifických protilátek detekuje přítomnost konkrétního proteinu. Používá se třeba při diagnostice HIV nebo boreliózy. A pro ještě detailnější analýzu všech proteinů v buňce máme hmotnostní spektrometrii.

Natálie: To je neuvěřitelná sada nástrojů. Od celkového pohledu na chromozomy až po detailní analýzu jednotlivých molekul.

Martin: A všechny se navzájem doplňují. Třeba po PCR se často používá gelová elektroforéza. To je metoda, kde DNA fragmenty závodí v gelu a rozdělí se podle velikosti. Tak ověříme, jestli se nám „nakopíroval“ ten správný kousek DNA.

Natálie: Martine, pojďme to celé propojit s našimi životy. Jak se všechny tyhle metody promítají do běžné lékařské péče?

Martin: Ve velkém. Například prenatální diagnostika, o které jsme mluvili, používá karyotypizaci nebo FISH k odhalení vad u plodu už během těhotenství. Další je novorozenecký screening. Každému novorozenci se z kapičky krve z patičky dělají testy na desítky vzácných metabolických a genetických poruch.

Natálie: Takže díky tomu se dá léčba zahájit okamžitě po narození?

Martin: Přesně tak, a to zachraňuje životy a zabraňuje trvalému poškození. A pak tu máme prediktivní genetické testy. Ty dokážou u zdravého člověka odhalit vrozené predispozice k nemocem, jako jsou některé typy rakoviny nebo kardiovaskulární onemocnění.

Natálie: Což dává lidem šanci změnit životní styl nebo podstupovat častější preventivní prohlídky.

Martin: Ano. Je to obrovský posun k personalizované medicíně, kde léčba a prevence jsou šité na míru genetické výbavě každého z nás.

Natálie: Tak si to shrňme. Když máme podezření na genetický problém, můžeme ho zkoumat na čtyřech úrovních: chromozom, gen, RNA a protein.

Martin: Na chromozomy máme karyotyp, FISH a CGH. Na geny hlavně PCR na namnožení a sekvenování na přečtení. Na aktivitu genu, tedy RNA, máme Northern blot. A na finální produkt, protein, zase Western blot.

Natálie: A všechny tyhle metody, které znějí tak složitě, mají reálný dopad – od prenatální diagnostiky přes léčbu cukrovky až po prevenci rakoviny. Myslím, že teď už je ta propast mezi průměrnou a skvělou známkou o dost menší.

Martin: Doufám v to. Klíčové je pamatovat si, že na každou genetickou otázku existuje specifický nástroj, jak na ni odpovědět.

Natálie: Děkujeme, že jste poslouchali. Pro další tipy a triky ke studiu se podívejte na naši aplikaci. Tak zase příště!

Martin: Na slyšenou.