Ki tudnál szűrni egy rákot okozó mutációt? Teach article

Fordította: Kapitány János Sándor. Hogyan fedezhető fel a rák, és honnan tudják megmondani a genetikusok egy sejtről, hogy az rákos-e? Ez az oktatási tevékenység, melyet az Egyesült Királyságban, a Wellcome Trust Sanger Intézet Kommunikációs és a Közvélemény iránt…

Minden rákos elváltozást az egyes sejtjeink DNS szekvenciájának megváltozása okoz. Mivel a sejtjeinkben lévő genetikai anyag ki van téve olyan mutagén (mutációt okozó) hatásoknak, mint amilyen az UV sugárzás, és ezen hatások akkumulálódnak (felhalmozódnak) így hibát okozhatnak a replikáció során. Esetenként, ezen mutációk egyike átalakítja egy kritikus gén funkcióját, ami annak sejtnek fogja gyorsítani a növekedését, amelyben a mutáció kiváltódott, illetve az utód sejteire is ilyen hatással lesz; ezek a sejtek gyorsabb ütemben fognak osztódni, mint szomszédaik.

Fokozatosan, a DNS több mutáción esik át, amelyek más kulcsgének módosulásához vezetnek, és ez gyorsan növekvő és invazív sejtekhez vezet. Az eredmény lehet egy tumor (daganat) alakzat, a környező szöveteken való elterjedés vagy végső esetben metasztázis – a rák a test más részeire történő átterjedése.

Azokat a mutálódott géneket, amelyek a rák felfedezéséhez vezetnek, úgy nevezzük, hogy “rákot okozó gének”.

A tumorszupresszor gének (TSG-k; 1. ábra) kódolják azon fehérjék termeléséhez az információkat, amelyek normálisan működve lelassítják a sejtnövekedést és megakadályozzák a szükségtelen osztódásokat vagy szükség esetén elősegítik az apoptózist (a programozott sejthalált), ha a sejt DNS-e megsérült. A mutációnak a TSG mindkét másolatát inaktívvá kell tennie, mielőtt a sejtciklus ilyen mértékű irányítása elveszik. Ha viszont egy működő másolat megmarad, akkor továbbra is lesz egy “fék” a sejt növekedésében.

Proto-onkogének (2. ábra), kontrasztban, azon fehérjéket kódolják, amelyek a sejt osztódását és a differenciálódását (specializálódását) váltják ki. Amikor ezek a gének mutálódnak, akkor vagy továbbra is fehérjéket állítanak elő vagy a gén aktivitása nem állítható helyre többé és ezesetben onkogénekké válnak, kiváltva a sejtek ellenőrizetlen növekedését és osztódását. A proto-onkogéneknél elegendő egy másolat mutációja, hogy az rákos megbetegedés kialakulásához vezessen.

A rák minden egyedi esetében, a rákos elváltozást a mutációk különleges esetei okozzák a proto-onkogénekben és / vagy a tumorszupresszorokban. Habár a számuk még pontosan nem ismert, ám azt gondoljuk, hogy a sejtben (és az utódaiban) öt vagy több génmutáció szükséges, hogy rákos sejtekké váljanak.

 KRAS (kiejtve kéj-rássz) egy olyan proto-onkogén, ami a KRAS fehérjét kódolja, ez pedig egy sejtenbelüli jelző fehérje, amelynek a sejt növekedésének kiváltásában van szerepe (hogy megkülönböztessük a géneket a fehérjéktől, a gének neveit konvencionálisan dőlt betűvel írjuk.) A következő tevékenység lehetővé teszi a tanulók számára, hogy valós genomikus adatokat használjanak a Cancer Genome Project^w1 –ből, és így olyan szokványos mutációk után kutathassanak a KRAS génben, amely mutációkat az onkogenezissel (a rák kialakulása/képződése) és a hasnyálmirigy-, bél-, tűdőrák és egyéb rákos megbetegedések kialakulásával hozhatnak összefüggésbe. Ez a tevékenység eredetileg olyan iskolának készült, amelynek a diákjai látogatták a Sanger Intézetet^w2, aztán elérhetővé tették mások számára is a Yourgenome.org^w3 weboldalon. Ez a tevékenység ma már az európai tanárok számára először az ELLS^w4 által az Egyesült Királyságban (UK) lévő Hinxtonban található Európai Bioinformatikai Intézetben^w5 (European Bioinformatics Institute) tartott bioinformatikai kurzusnak is a része. A teljes tevékenység célja, hogy beszélgetésre/párbeszédre sarkalljon a rákos betegségek kiváltó okairól, a génmutáció működéséről, a fehérje struktúrájáról és a fehérje működésekről.

A KRAS tevékenység

Becsült időtartam: 45-60 perc (prezentációval és megbeszéléssel együtt)

Eszközök

Minden szükséges segédanyag ingyenesen letölthető egyenként vagy becsomagolva zip fájlként^w6 a Yourgenome.org weboldalról.

• Egy csomag 11 munkalapból (KRAS_student_wsheet.pdf) – egy munkalap páronként vagy tanulócsoportonként. Egy alternatív verzió is elérhető fekete-fehér nyomtatókhoz, színvak tanulók számára. Nagy csoportok (20 vagy több) két csomag munkalapot is használhatnak lehetővé téve a gén dupla kiterjedését.
• Egy KRAS gén szekvencia transzparens (KRAS_gene_banner.pdf) az egész osztálynak, és egy KRAS gén papírlap (KRAS_genesheet_yg.pdf; 3. ábra) tanuló csoportonként. A gén papírlap (A3 vagy A4-es lapra nyomtatva) szükségeltet némi előkészítési időt. A KRAS transzparens, több lapra nyomtatva, amelyeket összeragasztottunk, lehetővé teszi, hogy az eredményeket az egész osztály egyszerre láthassa.
• Csoportonként egy kodon kerék papír (KRAS_codon_wheel.pdfvagy más kodon szótárak, amelyek a DNS 5’ végétől a 3’ vége felé haladnak) (Lásd a 4. és 5. ábrát)
• Csoportonként egy összegző papírlap (KRAS_ data_sheet.pdf)
• Tollak

A transzparens használatához szükséged lesz nagy nyilakra is, a mutációk megjelöléséhez a génszekvenciában, négyzetekre hogy jelöld azokat a régiókat, amelyeket már ellenőriztetek (KRAS_annotations.pdf), és egy újrahasználható ragasztóra (például Blu Tack® -re) a nyilak és a négyzetek felragasztásához a génszekvencia transzparensre. Tudj meg többet arról, hogyan használd ezt a módszert a letölthető tanári feljegyzésekből^w6.

Továbbá, hasznosnak találhatod a DNS, a peptid és/vagy a fehérje modelleket és használhatod a Wellcome Trust Sanger Intézet rákkal kapcsolatos animációit is (Cancer: Rogue cells and Role of cancer genes) a KRAS tevékenység honlapján^w6.

A tevékenység bemutatása

A Nyomozzunk a rák után (Investigating Cancer) bemutató (elérhető online^w6) áttekintést nyújt a diákok számára a rákról. Bemutatja a rák kialakulásához vezető abnormális DNS szekvencia változásokat, megmagyarázza a különböző okait ezeknek a mutációknak és bemutatja a feladatlapokat és a tevékenységet. A bemutatónak számos része buzdítja megbeszélésre a diákokat (lásd a bemutató feljegyzéseket^w6).

A tevékenység első részében a diákok azonosítanak eltéréseket a KRAS gén szekvenciájában egészséges és daganatos sejtek esetében a munkalapjukon és ezeket jelölik a KRAS transzparensen vagy a gén lapon is.

A munkalapokon nyers KRAS DNS szekvencia részletek találhatók, amelyek egészséges és rákos sejtek mintájából származnak, eltérő, színes vonalakkal jelölve a génnek minden régiójában. A négy bázist minden területen négy eltérő színnel jelöltük. Minden színes csúcs egy önálló DNS bázist jelöl:

Piros: T

Zöld: A

Kék: C

Fekete: G (normálisan ez a csúcs sárga színű lenne, de az nem olvasható könnyen a papíron)

Összesen 11 számozott munkalap található, mindegyiken a KRAS gén két eltérő régiója található. Az a hat mutáció, ami a KRAS génen található, az első hat papíron van, ezért légy biztos benne, hogy jól összekeverted a papírokat, mielőtt kiosztod az osztálynak. Minden lapot meg kell csinálni, ahhoz hogy biztosan teljesen felfedezzétek a gén minden részét. Fontos, hogy a diákoknak rámutassunk arra, hogy ezek a mutációk (relatíve) ritkán fordulnak elő, ezért nem mindenki fog találni; abban is fontos szerepe van a feladatnak, hogy a diákok felfedezzék a negatív adat fontosságát és átfogó képet kapjanak a természettudományos tanulmányokról.

A mutációk azonosítása

Using the worksheets, the students will compare a section of DNA sequence from a healthy cell and a tumour cell from the same patient. The easiest way to identify whether a mutation has occurred is to write the DNA sequence below the coloured peaks (there is a colour key on the sheet to help) and to compare the written sequences.

Ha a betűk közül akár csak egy is eltérő (a csúcs megváltoztatta a színét), azt jelöli hogy mutáció történt a szekvenciában. A 7. ábrán (jobbra) az A (adenin) a DNS szekvenciában egy egészséges sejtből származik, amit egy G (guanin) helyettesít a tumoros sejtben.

Ha a tanulók dupla csúcsot találnak ugyanazon pozícióban, azt úgy kellene rögzíteni, hogy két bázis van ugyanazon pozícióban, egyik feljebb, mint a másik. A 8. ábrán, az egészséges DNS szekvenciában G (guanin) található, ahol a tumor szekvenciában G (guanin) és C (citozin) is van. Ez nem inszerció: ez azt jelöli, hogy heterozigóta mutáció történt, ahol a gén egyik másolatán a Citozin szubsztituálja a Guanint. Ebben az esetben, a tumor szekvenciában a Guanint Citozinnal helyettesítjük.

Minden tanulónak jeleznie kell a gén régiókat amelyeket ellenőriz, kiemelve a releváns régiókat a gén papírlapon (lásd 9. ábra, balra).

Azoknak a tanulóknak, akik találtak mutációt jelölniük kellene az adott részt karikázással a gén papíron (lásd 9. ábra) és készítsenek feljegyzést arról, hogy melyik kodonban található a mutáció (a példánkban a 12. kodonban).

A tanulóknak ki kellene a táblázatot is tölteniük a munkalapjaik alapján, használva a kodon kereket, hogy lefordítsák a DNS szekvenciákat aminosavakra, ahogy az 1. táblázatban is látható:

Ha minden mutációt megtaláltunk, akkor rögzítsük ezeket az összegző adatlapon (lásd 2. táblázat).

Az eredmények megbeszélése

A fenti eredmények mind egyszerű bázis szubsztitúciók (helyettesítések). Ezek a mutációk a KRAS gén protein-kódoló régióján a mutációk három típusának egyikeként osztályozhatók, a megváltozott kodonon kódolt információ alapján.

• Csendes mutáció, ha a kodon ugyanazt az aminosavat kódolja.
• Misszensz mutáció, ha a kodon más aminosavat kódol.
• Nonszensz mutáció, ha a kodon stop kodon, és ezért csonkává válik a fehérje.

Beszéljük meg, hogy ha a mutációk szignifikánsak – lesz-e hatásuk a fehérje funkciójára vagy inkább ‘csendesek’ maradnak? Ebben a tevékenységben a 30-as és a 173-as kodon csendes mutációt tartalmaz és ebből következően nincs funkcionális hatásuk.

A bemutató tartalmaz egy 3D térkitöltő képet a KRAS fehérjéről (10. ábra, jobbra); a 26-tól a 30-as diáig bemutatja, hogy hol vannak a fehérjén a jelentős mutációk, és megjegyezheted, hogy ezek mind ugyanabban a régióban találhatók. a 12, 13 és 61-es kodon voltak az elsők, amelyek onkogénes átváltozást figyeltek meg a KRAS fehérjén; a 146 mutációját csak 2005-ben találták meg. Ezeket a diákat arra használhatod, hogy megbeszéljétek a mutációk hatásait a fehérje szerkezetére és a KRAS növekedést jelző működésére.

Egy kiegészítő tevékenységként, a tanulók használhatják a RasMol-t, a molekuláris modellező programoz, amivel létrehoztuk a 26-30-ig a diákat, hogy jelöljük az aminosavakat a fehérje szerkezetében. Nézd meg a tanári feljegyzéseket^w6 további részletért.

Az ilyen információk, hogyan tudják befolyásolni a rákhoz való hozzáállásunkat?

A tanári feljegyzések^w6 gazdagon tartalmaznak háttér információkat a KRAS példaként történő használatához, és hogy miként tudjuk megbeszélésre sarkallni a diákjainkat a genomikus információval kapcsolatban, hogyan használhatjuk a rákos megbetegedések megértésére illetve a rák kezelésére. A megbeszélés során rámutathatunk a diákjainknak, hogy:

• Mely kísérletek vagy megközelítések használhatók annak megállapítására, hogy mely rákos betegségeket lehet a KRAS mutációkkal összefüggésbe hozni?
• Milyen előnyei lehetnek ennek az információnak az ismeretének?
• A Rák egy genetikus betegség: ez a DNS szekvencia megváltozásának eredménye. Ez az amiért az emberek abban hisznek, hogy a rák genetikai kutatásának szignifikáns megalapozása a legjobb mód arra, hogy új rákkezelési gyógymódokat fedezzünk fel és amelyek így a betegséggel foglalkoznak. A rák kezelések és a betegek ápolása egyaránt nagy pénzösszegeket igényel (az Egyesült Királyság Nemzeti Egészség Szolgáltatója több mint 2 billió angol fontot (£) költött a rákkezelésekre 2000-ben). Mit gondolnak a diákok, hogy hol és hogyan kellene elkölteni ezt a pénzt?

Download

Download this article as a PDF