Γενετική αποτύπωση: μία ενδότερη ματιά Understand article

Μετάφραση από τον Παναγιώτης Στασινάκης (Panagiotis Stasinakis). Στις δημοφιλείς τηλεοπτικές σειρές με ντετέκτιβ, η γενετική αποτύπωση συχνά χρησιμοποιείται για την…

Η εικόνα είναι ευγενική
προσφορά του Alex Mit /
iStockphoto

Η ιδέα της ταυτοποίησης των ανθρώπων βάση των γενετικών τους χαρακτηριστικών, δεν είναι νέα. Το σύστημα ομάδων αίματος ΑΒΟ, ανακαλύφθηκε το 1900 από τον Karl Landsteinerw1 και έγινε ο πρώτος γενετικός δείκτης που χρησιμοποιήθηκε στην εγκληματολογία, αργότερα θα συμπληρωθεί με τις ομάδες αίματος MN (1927) και τον παράγοντα Ρέζους (1937).

Ακόμα και όταν αναλύουμε ταυτόχρονα τα τρία συστήματα ομάδων αίματος, περίπου ένας στους δέκα ανθρώπους δίνει παρόμοια αποτελέσματα: αυτό κάνει δυνατές τις μεταγγίσεις αίματος. Για τους σκοπούς της ιατροδικαστικής, ωστόσο, αυτό είναι ένα μειονέκτημα: τα αποτελέσματα μπορούν να σας πουν ότι το δείγμα αίματος που έχετε δεν προέρχεται από τον Ύποπτο Χ, αλλά δεν μπορούν να σας πουν σε μεγάλο βαθμό βεβαιότητας ότι προέρχεται από τον Ύποπτο Ψ.

Ακόμα και όταν αναλύουμε ταυτόχρονα τα τρία συστήματα ομάδων αίματος, περίπου ένας στους δέκα ανθρώπους δίνει παρόμοια αποτελέσματα: αυτό κάνει δυνατές τις μεταγγίσεις αίματος. Για τους σκοπούς της ιατροδικαστικής, ωστόσο, αυτό είναι ένα μειονέκτημα: τα αποτελέσματα μπορούν να σας πουν ότι το δείγμα αίματος που έχετε δεν προέρχεται από τον Ύποπτο Χ, αλλά δεν μπορούν να σας πουν σε μεγάλο βαθμό βεβαιότητας ότι προέρχεται από τον Ύποπτο Ψ.

Η γενετική μας σύνθεση – ποιοι είμαστε

Από τα ζεύγη βάσεων, στα
χρωμοσώματα (όχι σε
κλίμακα): πώς πακετάρεται
το DNA. Κάντε κλικ στην
εικόνα για μεγέθυνση

Η εικόνα είναι ευγενική
προσφορά του Darryl Leja,
NHGRI / NIH

Το ανθρώπινο γονιδίωμα αποτελείται από 46 ζεύγη χρωμοσωμάτων: 23 από τη μητέρα μας, 23 από τον πατέρα μας. Έχουμε λοιπόν δύο από κάθε χρωμόσωμα (εκτός – στην περίπτωση των ανδρικών φυλετικών χρωμοσωμάτων) και ως εκ τούτου δύο αντίγραφα κάθε γονιδίου.

Το κύριο συστατικό των χρωμοσωμάτων είναι το δεσοξυριβονουκλεϊνικό οξύ (DNA), το οποίο περιέχει πληροφορίες για την κατασκευή των πρωτεϊνών που χρειάζονται για τη ζωή. Ωστόσο, από τα 3 δισεκατομμύρια ζεύγη βάσεων μας (bp), μόνο το 4% περίπου στην πραγματικότητα κωδικοποιεί για την παραγωγή πρωτεΐνών: το υπόλοιπο είναι συχνά απλώς «γέμισμα» που αποτελείται από επαναλαμβανόμενες αλληλουχίες που οργανώνονται σε ομάδες. Αν συγκρίνουμε τα DNA δύο ανθρώπων, στο μεγαλύτερο μέρος τους είναι ίδια, με τη μεταβλητότητα να εντοπίζεται σε μεγάλο βαθμό σε αυτές τις επαναλαμβανόμενες αλληλουχίες.

Διαφορετικοί άνθρωποι μπορεί να έχουν διαφορετικό αριθμό επαναλήψεων αυτών των αλληλουχιών: ένα άτομο μπορεί να έχει πέντε επαναλήψεις σε έναν συγκεκριμένο τόπο DNA (θέση). Ένα άλλο άτομο μπορεί να έχει επτά. Χρησιμοποιώντας δείγματα, π.χ. από το αίμα ή το σπέρμα, μπορούμε να αναλύσουμε τις επαναλαμβανόμενες αλληλουχίες σε διάφορους τόπους DNA. Ονομάζουμε αυτή την ανάλυση μία ανάλυση γενετικού αποτυπώματος. Όπως τα δακτυλικά αποτυπώματα, τα γενετικά αποτυπώματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη διάκριση ατόμων.

Μολονότι ο όρος «γενετικό αποτύπωμα» (ή γενετικό προφίλ) χρησιμοποιείται συχνά, δεν γνωρίζουν όλοι πως στην πραγματικότητα περιλαμβάνει δύο πολύ διαφορετικές τεχνικές, από τις οποίες μόνο μία χρησιμοποιείται συνήθως στην εγκληματολογία σήμερα.

Πρόωρη γενετική αποτύπωση: πολυμορφισμός μήκους καθοριζόμενου από περιοριστική ενδονουκλεάση

Η εικόνα είναι ευγενική
προσφορά του Arno Bachert /
pixelio.de

Η πρώτη μέθοδος γενετικών αποτυπωμάτων επινοήθηκε το 1984 από τον Alec Jeffreysw2, ο οποίος χρησιμοποίησε επαναλαμβανόμενες αλληλουχίες DNA που είναι γνωστές ως μεταβλητός αριθμός διαδοχικών επαναλήψεων (VNTRs; π.χ. η αλληλουχία D1S80, (AGGACCACCAGGAAGG)n). Αυτές οι αλληλουχίες, 10-100 ζεύγη βάσεων (bp) ανά επανάληψη, μπορούν να διαπιστωθούν με τη χρήση ενζύμων περιορισμού, τα οποία λειτουργούν σαν μοριακά ψαλίδια που κόβουν το DNA σε προκαθορισμένες αλληλουχίες (αλληλουχίες αναγνώρισης). Σε ολόκληρο το γονιδίωμα μας, μία ακολουθία αναγνώρισης 6 ζευγών βάσεων (bp) θα υπάρχει περίπου 730.000 φορές.

Αυτό σημαίνει ότι αν κόψετε το γονιδίωμα με ένα συγκεκριμένο ένζυμο περιορισμού, θα πάρετε περίπου 730.000 τμήματα- θραύσματα –  περιορισμού ποικίλου μήκους. Και αυτό το σημείο που τα VNTRs γίνονται σημαντικά: ο αριθμός των επαναλήψεων σε ένα συγκεκριμένο σύμπλεγμα VNTR μπορεί να ποικίλει μεταξύ των ατόμων, πράγμα που σημαίνει ότι το μήκος του αντίστοιχου θραύσματος περιορισμού θα ποικίλλει αρκετά μεταξύ των ατόμων (Σχήμα 1). Ονομάζουμε αυτό το φαινόμενο πολυμορφισμός μήκους θραύσματος περιορισμού (restriction fragment length polymorphism – RFLP).

Σχήμα 1: Επισκόπηση δύο VNTRs από δύο διαφορετικά άτομα. Οι θέσεις που κόβονται με περιοριστικά ένζυμα (μοριακά ψαλίδια) υποδεικνύονται με ένα βέλος. Ανάλογα με τον αριθμό των επαναλήψεων VNTR, παράγονται τμήματα DNA διαφόρων μεγεθών (βλ. επίσης Σχήμα 2, Στάδιο 4)
Η εικόνα είναι ευγενική προσφορά της Sara Müller

Από τα 730.000 θραύσματα περιορισμού, μόνο μερικά θα διαφέρουν μεταξύ των ατόμων – πολύ λίγα για να ανιχνευθούν με το γυμνό μάτι. Αντ ‘αυτού, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν μια τεχνική που ονομάζεται στύπωμα Southern, η οποία επιτρέπει την απεικόνιση μόνο των αλληλουχιών που παρουσιάζουν κάποιο ενδιαφέρον. Για να γίνει αυτό, διαχωρίζουν τα θραύσματα περιορισμού ανάλογα με το μέγεθος τους με τη χρήση πηκτώματος ηλεκτροφόρησης, χρησιμοποιώντας ηλεκτρικό ρεύμα για να μετακινηθούν τα φορτισμένα μόρια του DNA διαμέσου ενός πηκτώματος. Η απόσταση που διανύεται, προσδιορίζεται από το μέγεθος του θραύσματος (Σχήμα 2, Στάδιο 1). Στη συνέχεια, μεταφέρουν το DNA σε μια μεμβράνη (Εικόνα 2, Βήμα 2) και εφαρμόζουν ένα ραδιενεργά σημασμένο ανιχνευτή που είναι συμπληρωματικός προς το VNTR(s) που τους ενδιαφέρει. Ο ανιχνευτής υβριδοποιείται (κολλάει) στις αντίστοιχες αλληλουχίες (Σχήμα 2, Βήμα 3) και με την τοποθέτηση της μεμβράνης σε ένα φιλμ ακτίνων Χ, οι επιστήμονες παίρνουν μια εικόνα ραδιενεργώς σημασμένων ζωνών, καθεμία από τις οποίες αντιπροσωπεύει ένα διαφορετικό μήκος του θραύσματος (Εικόνα 2, Στάδιο 4). Αυτή η εικόνα είναι το γενετικό αποτύπωμα.

Επομένως, πόσα VNTRs χρειάζονται να συγκριθούν για να προσφέρουν μία αξιόπιστη διαφοροποίηση μεταξύ των ατόμων; Αν οι επιστήμονες επιλέξουν VNTRs με αρκετή ποικιλία (π.χ. το D1S80, η οποία μπορεί να επαναληφθεί από 15 έως 41 φορές), χρειάζεται να συγκρίνετε μόνο τέσσερα διαφορετικά VNTRs προσφέροντας μία ισχύς διάκρισης του 1:1 εκατομμυρίων, σαφώς πολύ καλύτερα από ότι το 1: 10 που προσφέρονται από το σύστημα ΑΒΟ των ομάδων αίματος.

Σχήμα 2: ανάλυση RFLP μετά από πέψη του DNA με ένζυμα περιορισμού. Κάντε κλικ στην εικόνα για μεγέθυνση
1. Διαχωρισμός βάση μεγέθους των θραυσμάτων πέψης DNA με πήκτωμα ηλεκτροφόρησης. Μεγάλα μόρια με αργή κινητικότητα στην πηκτή εμφανίζονται στην κορυφή της εικόνας, ενώ μικρά μόρια με υψηλότερη κινητικότητα στην πηκτή είναι στο κάτω μέρος
2.-3. Τεχνική στύπωμα Southern. Το διαχωρισμένο DNA μεταφέρεται σε μία μεμβράνη και στην συνέχεια ανιχνεύεται επί της μεμβράνης με ραδιενεργά σημασμένους ιχνηθέτες έναντι των VNTRs Α και Β
4. Το εκτεθειμένο φιλμ ακτίνων-Χ δείχνει ένα μεμονωμένο αποτύπωμα για κάθε άτομο (συγκρίνετε με το Σχήμα 1)

Η εικόνα είναι ευγενική προσφορά της Sara Müller
Σχήμα 3: Ένα απλοποιημένο
διάγραμμα που δείχνει πώς
τα καθορισμένα θραύσματα
DNA ενισχύονται με PCR.
Κάντε κλικ στην εικόνα για
μεγέθυνση

Η εικόνα είναι ευγενική
προσφορά της Sara Müller

Η σημερινή τεχνική: γενετικά αποτυπώματα που στηρίζονται στην PCR

Ο Kary Mullis ανακάλυψε το 1983, την αλυσιδωτή αντίδραση της πολυμεράσης (PCR), που του χάρισε το βραβείο Νόμπελ στη Χημεία w3, w4. Αυτή η εφεύρεση, μαζί με την ανακάλυψη στα τέλη της δεκαετίας του 1980 των σύντομων διαδοχικών επαναλήψεων (STRs – short tandem repeats) – 2-9 ζεύγη βάσεων (bp) επαναλαμβανόμενες αλληλουχίες, που ονομάζονται επίσης μικροδορυφόρων – άνοιξαν το δρόμο για την υψηλής ταχύτητας τεχνολογία γενετικής αποτύπωσης, που χρησιμοποιούν σήμερα οι ιατροδικαστές.

Το PCR επιτρέπει σε έναν τόπο DNA που μας ενδιαφέρει (π.χ. οι 4 ζευγών βάσεων (bp) STR, γνωστή ως D18S51, (AGAA)n), να ενισχυθεί εκθετικά, δημιουργώντας σε λίγες μόνο ώρες ένα δισεκατομμύριο αντίγραφα από ένα μόνο μόριο DNA (Εικόνα 3). Για τους ιατροδικαστές, αυτό έχει το πλεονέκτημα πως είναι δυνατή η ανάλυση ακόμη και πολύ μικροσκοπικών δειγμάτων – τόσο λίγο όσα 30 κύτταρα (βλέπε Πίνακα 1 για μια σύγκριση του σχετικού με RFLP γενετικό αποτύπωμα).

Για την ανάλυση PCR, χρειαζόμαστε STRs που πλευρίζονται από αλληλουχίες που είναι ταυτόσημες σε όλα τα ανθρώπινα όντα (αυτές τις αλληλουχίες τις λέμε συντηρημένες). Στη συνέχεια, χρησιμοποιούμε εκκινητές – μικρά μόρια που είναι συμπληρωματικά προς τις συντηρημένες πλευρικές αλληλουχίες (γονίδια 1134 και 1135 στο Σχήμα 4) – για την κίνηση της PCR. Μόλις το DNA έχει ενισχυθεί, μπορούμε να το διαχωρίσουμε είτε με πήκτωμα ηλεκτροφόρησης (Σχήμα 5), ή, στη σύγχρονη ιατροδικαστική επιστήμη, με ηλεκτροφορητική αυτοματοποιημένη αλληλούχιση (Σχήμα 6), και απεικόνισή της ως ένα γενετικό αποτύπωμα.

Σχήμα 4: Σχηματική παρουσίαση του STR D1S80 (η ονοματολογία «D1S80» μας λέει ότι ο STR βρίσκεται στο χρωμόσωμα 1, στην περιοχή 80) από δύο άτομα. Τα μαύρα βέλη αντιπροσωπεύουν τους εκκινητές που χρησιμοποιήθηκαν για να ενισχύσουν το συγκεκριμένο STR. Κάντε κλικ στην εικόνα για μεγέθυνση
Η εικόνα είναι ευγενική προσφορά της Sara Müller

Έχουμε δύο αντίγραφα από κάθε χρωμόσωμα, έτσι έχουμε επίσης δύο αντίγραφα κάθε STR. Εάν, για κάθε ένα αντίγραφο της STR, κάποιος έχει τον ίδιο αριθμό επαναλήψεων (δηλαδή το ίδιο αλληλόμορφο), η ανάλυση PCR αποκαλύπτει μόνο ένα μέγεθος του θραύσματος DNA: το άτομο είναι ομόζυγο για το αλληλόμορφο STR (πράσινο βέλος στο Σχήμα 5, που αντιστοιχεί στο άτομο 2 στο Σχήμα 4). Εάν τα δύο χρωμοσώματα φέρουν μη-ταυτόσημα αλληλόμορφα για την συγκεκριμένη STR, βλέπουμε δύο μεγέθη του θραύσματος και λέμε πως το άτομο είναι ετερόζυγο (κόκκινο βέλος στο Σχήμα 5, που αντιστοιχεί στο άτομο 1 από το Σχήμα 4).

Εικόνα 5: Γενετικό αποτύπωμα του τόπου D1S80 που παράγεται από μαθητές (αριθμοί καναλιών 1-16) με το δικό τους DNA. Η γραμμή στην άκρη δεξιά, που επισημαίνεται ως Μ, περιέχει θραύσματα DNA γνωστών μεγεθών, που χρησιμοποιούνται ως δείκτες. Το άτομο που υποδεικνύεται με το πράσινο βέλος είναι ομόζυγο για τον τόπο D1S80 (μόνον μία ζώνη είναι ορατή). Το άτομο που επισημαίνεται με το κόκκινο βέλος είναι ετερόζυγο (δύο ζώνες). Τα μπλε βέλη υποδεικνύουν δύο μαθητές που είναι ετερόζυγοι και έχουν τον ίδιο αριθμό επαναλήψεων για κάθε αλληλόμορφο στον τόπο D1S80. Αυτό σημαίνει ότι δεν μπορούν να διακριθούν με το αποτύπωμα. Μπορεί να είναι δίδυμα, αλλά είναι επίσης πιθανό ότι δύο άσχετα άτομα θα έχουν τον ίδιο αριθμό των επαναλήψεων αν αναλύεται μόνο ένα STR
Η εικόνα είναι ευγενική προσφορά της Sara Müller

Αν αναλύσουμε μόνο ένα STR, η πιθανότητα δύο άσχετα άτομα να έχουν το ίδιο γενετικό αποτύπωμα που βασίζεται σε PCR, είναι υψηλή – μεταξύ 1:2 και 1:100 (μπλε βέλη στο Σχήμα 5). Αυτό συμβαίνει επειδή τα STRs έχουν λιγότερα αλληλόμορφα και χαμηλότερη ετεροζυγωτία σε σχέση με τα VNTRs που χρησιμοποιούνται στην γενετική αποτύπωση βάση των RFLP. Για να ξεπεραστεί αυτό το μειονέκτημα, αναλύουμε πολλά STRs ταυτόχρονα: με 16 STRs, όπως συνηθίζεται στις ιατροδικαστικές υποθέσεις στη Γερμανία, μπορούμε να επιτύχουμε μια ισχύς της διάκρισης των 1:10 δισεκατομμυρίων (που ισοδυναμεί με ένα άτομο στον πληθυσμό του πλανήτη, Σχήμα 6).

Σχήμα 6: Ηλεκτροφερόγραμμα μιας γυναίκας, που δημιουργήθηκε από πολλαπλή PCR και μετέπειτα ηλεκτροφορητική αυτοματοποιημένη αλληλούχιση. Οκτώ STRs (D3, TH01, D21, D18, SE33, vWA, D8 και FGA) και αμελογενίνη (που δείχνει το φύλο) αναλύθηκαν. Οι μπλε, πράσινες και μαύρες καμπύλες αντιπροσωπεύουν ενισχυμένα STRs (με αριθμούς επανάληψης κάτω από τις κορυφές). Η κόκκινη καμπύλη είναι ο δείκτης (το μέγεθος του θραύσματος DNA επισημαίνεται σε bp-ζεύγη βάσεων). Κάντε κλικ στην εικόνα για μεγέθυνση
Η εικόνα είναι ευγενική προσφορά της Sara Müller
Πίνακας 1: Σύγκριση της αποτύπωσης DNA που βασίζεται στα RFLP και στο PCR
μετά Butler (2010)
  RFLP PCR

Ποσότητα αρχικού DNA

30–50 µg

Τουλάχιστον 200pg (περίπου 30 κύτταρα) για ένα πλήρες πρότυπο STR

Ευαισθησία

+

+++

Ποιότητα DNA που απαιτείται για την ανάλυση

Ολόκληρο το γονιδίωμα

Δεν είναι αναγκαίο το πλήρες γονιδίωμα. Προϊόντα αποικοδόμησης είναι επίσης επαρκή, λόγω των μικρών αλληλουχιών που εμπλέκονται (συνολικό μήκος αλληλουχίας ενός STR, συμπεριλαμβανομένων των πολλαπλών επαναλήψεων και των πλευρικών αλληλουχιών, περίπου το 50 – 500 bp)

Χρόνος

Ημέρες έως εβδομάδες

Ώρες

Ισχύς διάκρισης ανά τόπο

+++
(Περισσότερα αλληλόμορφα και περισσότερη ετεροζυγωτία ανά τόπο)

+
(Λιγότερα αλληλόμορφα και λιγότερη ετεροζυγωτία ανά τόπο)
Ωστόσο, η πολλαπλή PCR ενίσχυσης (PCR με περισσότερα από ένα ζεύγος εκκινητών) και πολυχρωματική επισήμανση επιτρέπουν σε περισσότερους από 16 τόπους να εξεταστούν ταυτόχρονα, πράγμα που παρέχει μια εξαιρετική ισχύς διάκρισης

Επανάληψη μονάδας

10 bp έως 100 bp

2 bp έως 9 bp (στην ρουτίνα των εγκληματολογικών περιπτώσεων, βασικά 4 bp-ζεύγη βάσεων-)

Αυτοματοποιημένη ανίχνευση

Δεν είναι δυνατόν

Είναι δυνατή υψηλής απόδοσης επεξεργασία του δείγματος

Αριθμός επικυρωμένων τόπων (σημαντικό, αν πρόκειται για συγγενείς)

Περιορισμένος αριθμός

Μεγάλος αριθμός

Κίνδυνος επιμόλυνσης

+

+++

Απαιτούνται πρόσθετα μέτρα ασφαλείας;

Ναι (λόγω του ραδιενεργού ιχνηθέτη)

Όχι (όχι ραδιενεργός ιχνηθέτης)

Εφαρμογές των γενετικών αποτυπωμάτων

Τα μονοζυγωτικά δίδυμα
κανονικά θα έχουν
παρόμοια γενετικά
αποτυπώματα

Η εικόνα είναι ευγενική
προσφορά του e3000; πηγή
εικόνας: Flickr

Τώρα ξέρουμε τι είναι τα γενετικά αποτυπώματα, αλλά πώς χρησιμοποιούνται; Η γενετική αποτύπωση που βασίζεται στο PCR εφαρμόζεται ευρέως στις ιατροδικαστικές έρευνες: αυτό επιτρέπει στην αστυνομία να αποκλείσει ή να ταυτοποιήσει υπόπτους στη βάση του γενετικού υλικού, όπως θύλακες των τριχών, δέρμα, σπέρμα, σάλιο ή αίμα (δείτε την ιστορία που μπορείτε να κατεβάσετε παρακάτωw5). Ένα γενετικό αποτύπωμα και μόνο, όμως, δεν είναι επαρκές αποδεικτικό στοιχείο για την καταδίκη, καθώς στενοί συγγενείς μπορεί να έχουν πολύ παρόμοια αποτυπώματα (και μονοζυγωτικά δίδυμα θα έχουν κανονικά τα ίδια).

Νικόλαος Β ‘, ο τελευταίος
Τσάρος της Ρωσίας, με την
Τσαρίνα Αλεξάνδρα και τις
τέσσερις κόρες τους. Μετά
τη Ρωσική επανάσταση,
ολόκληρη η οικογένεια
δολοφονήθηκε τον Ιούλιο
του 1918. Τα σώματά τους,
βρέθηκαν το 1979 (ο
Τσάρος, η Τσαρίνα και οι
τρεις κόρες) και το 2007 (ο
διάδοχος του Τσάρου και η
τέταρτη κόρη, Μαρία),
εντοπίστηκαν με τη χρήση
γενετικών αποτυπωμάτων

Η εικόνα είναι ευγενική
προσφορά του Romanov
Collection, General Collection,
Beinecke Rare Book and
Manuscript Library, Yale
University

Και για να περιπλέξουν τις διεθνείς εγκληματολογικές έρευνες, αν και υπάρχει μια ευρωπαϊκή σύσταση για την ανάλυση 16 STRs, κάθε χώρα μπορεί να αποφασίσει ποια STRs να αναλύσει, γεγονός που καθιστά δύσκολες τις συγκρίσεις.

Η μέθοδος που βασίζεται στην PCR χρησιμοποιείται επίσης σε ανθρώπους για τον έλεγχο πατρότητας, τη διάγνωση πολλών γενετικών ασθενειών (π.χ. νόσος του Huntington), τον εντοπισμό θυμάτων καταστροφών, την εξακρίβωση γενεαλογικών δένδρων, τον εντοπισμό αγνοουμένων και τη διερεύνηση ιστορικών προσωπικοτήτων (π.χ. τον τελευταίο τσάρο της Ρωσίας και της οικογένειάς του). Σε άλλους οργανισμούς, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για σκοπούς διατήρησης (π.χ. να αναλύσει κατασχεμένο ελεφαντόδοντο), σε φαρμακευτικές έρευνες (π.χ. με ανάλυση κατασχεθέντων φυτών κάνναβης), για τον έλεγχο της τροφή ή της ποιότητας του νερού (π.χ. με εντοπισμό μολυσματικών μικροβίων), στην ιατρική (π.χ. για να ανιχνεύουν ιογενείς λοιμώξεις όπως HIV, ηπατίτιδα ή γρίπη) και σε έρευνες για βιοτρομοκρατία (π.χ. για τον προσδιορισμό μικροβιακών στελεχών).

Η γενετική αποτύπωση που στηρίζεται στα RFLP, αν και σε μεγάλο βαθμό ξεπερασμένη λόγω των πολλών πλεονεκτημάτων της μεθόδου PCR (Πίνακας 1), εξακολουθεί να χρησιμοποιείται για την ταξινόμηση των φυτών και των ζώων στη βασική έρευνα. Είναι ιδιαίτερα χρήσιμη όταν δεν υπάρχουν επαρκείς πληροφορίες σχετικά με το γονιδίωμα των ειδών – θυμηθείτε ότι για τη μέθοδο PCR, χρειαζόμαστε περιοχές που ποικίλουν ευρέως μεταξύ των ατόμων και πλευρίζονται από συντηρημένες περιοχές γνωστής αλληλουχίας.

Η γενετική αποτύπωση στο σχολείο

Η απομόνωση του DNA στο σχολείο δίνει στους μαθητές μια «ουάου» στιγμή όταν συνειδητοποιούν ότι βλέπουν την πλήρη γενετική πληροφορία που κωδικοποιεί έναν οργανισμό – μερικές ίνες σαν βαμβάκι από DNA που καθιζάνει στην αλκοόλη. Είναι εύκολο να εκτελεστεί στο σχολείο με τη χρήση σιέλουw6 (ή επιθηλιακά κύτταρα από εμπορικά διαθέσιμα κιτ), μπιζέλια (Madden, 2006), ντομάτες, κρεμμύδιαw7 ή θύμο μόσχου (αν και καλό είναι να ελέγξτε τους τοπικούς περιορισμούς σχετικά με τη χρήση θύμο μόσχου στο σχολείο)w8.

Η γενετική αποτύπωση
μπορεί να χρησιμοποιηθεί
στις εργασίες διατήρησης,
για παράδειγμα να αναλυθεί
κατασχεμένο ελεφαντόδοντο

Η εικόνα είναι ευγενική
προσφορά της Ulla Trampert /
pixelio.de

Η ανάλυση PCR ενός ειδικού STR στο ανθρώπινο DNA, για παράδειγμα το D1S80 ή το TH01, μπορεί να γίνει στο σχολείοw6, χρησιμοποιώντας διαθέσιμα κιτw9 που διατίθενται στο εμπόριο σε λογικές τιμές, αν είναι απαραίτητο. Αν το σχολείο σας δεν έχει πρόσβαση σε ένα θερμοκυκλωτή, η θερμοκυκλοποίηση μπορεί να διεξάγεται σε τρία λουτρά ύδατος, αν και είναι κουραστικό και πολύ πρακτικό.

Εάν δεν είναι διαθέσιμος αυτός ο εξοπλισμός, υπάρχουν κιτ που αμφότερα προσομοιώνουν και απλοποιούν την όλη διαδικασία της γενετικής αποτύπωσηςw10. Αυτά τα κιτ περιέχουν θραύσματα DNA που προσομοιώνουν την ενίσχυση διαφορετικών αλληλομόρφων ενός STR ή VNTR. (Στην πραγματικότητα, είναι θραύσματα περιορισμού DNA από πλασμίδιο ή το DNA του φάγου λάμδα.) Το DNA απαιτεί ηλεκτροφόρηση και μετέπειτα χρώση έτσι ώστε οι μαθητές να μπορούν να συγκρίνουν τις «ενισχυμένες» αλληλουχίες DNA από ένα δείγμα των αποδείξεων με εκείνες πολλών υπόπτων. Φυσικά, αυτό είναι πολύ διαφορετικό από την ανίχνευση ενισχυμένων STRs χρησιμοποιώντας ηλεκτροφορητική αυτόματη αλληλούχιση (και δεν αντιπροσωπεύει με ακρίβεια ακόμα και την οπτικοποίηση των VNTRs χρησιμοποιώντας στύπωμα Southern, καθώς το DNA χρωματίζεται απευθείας στο πήκτωμα), αλλά παρόλα αυτά δείχνει τις αρχές της αναλυτικής διαδικασίας. Όταν χρησιμοποιείτε αυτά τα κιτ προσομοίωσης, οι μαθητές θα πρέπει να γνωρίζουν ότι τα πειράματα δίνουν την εντύπωση πως οι διαφορές μεταξύ των ατόμων μπορούν να προσδιοριστούν εύκολα, πράγμα που δεν συμβαίνει.

Ευχαριστίες

Οι συγγραφείς θα ήθελαν να ευχαριστήσουν τον Wolfgang Nellen για τις ιδέες του σχετικά με το άρθρο και για την άδεια του οι οδηγίες του Science Bridge  να διατεθούν δωρεάν.

Είναι επίσης ευγνώμονες στην Shelley Goodman για τις συμβουλές της σχετικά με τη χρήση της εμπορικών κιτ στο σχολείο.

Download

Download this article as a PDF

References

Web References

  • w1 – Το 1930 ο Karl Landsteiner βραβεύθηκε με το Νόμπελ στη Φυσιολογία ή την Ιατρική για την ανακάλυψή του σχετικά με τις ομάδες αίματος του ανθρώπου. Για να μάθετε περισσότερα δείτε την ιστοθέση των βραβείων Νόμπελ (www.nobelprize.org) ή χρησιμοποιείστε τον απευθείας σύνδεσμο: http://tinyurl.com/7zjg2mw
  • w2 – Για να μάθετε περισσότερα σχετικά με την ανακάλυψη του Alec Jeffreys, δείτε: www2.le.ac.uk/departments/genetics/jeffreys
  • w3 – Το 1993 το βραβείο Νόμπελ της Χημείας απονεμήθηκε στον Kary B Mullis για την επινόηση της μεθόδου της αντίδρασης της αλυσιδωτής πολυμεράσης (PCR). Για να μάθετε περισσότερα δείτε, την ιστοθέση των βραβείων Νόμπελ (www.nobelprize.org) ή χρησιμοποιήσετε τον απευθείας σύνδεσμο: http://tinyurl.com/7fkh7ku
  • w4 – Για να μάθετε περισσότερα για την PCR, παρακολουθήστε αυτό το βίντεο: www.youtube.com/watch?v=_YgXcJ4n-kQ
  • w5 – Μια ιστορία που παρουσιάζει πώς τα γενετικά αποτυπώματα χρησιμοποιούνται στις ιατροδικαστικές υποθέσεις, μπορείτε να την κατεβάσετε εδώ σε μορφή Word® ή PDF.
  • w6 – Για οδηγίες (τόσο στα Αγγλικά όσο και στα Γερμανικά) για το γενετικό αποτύπωμα που βασίζεται στο PCR στο σχολείο, δείτε την ιστοθέση του Science Bridge (www.sciencebridge.net) ή χρησιμοποιήστε τον απευθείας σύνδεσμο: http://tinyurl.com/89u7m53
    • Η ιδιότητα μέλους στο Science Bridge είναι κανονικά αναγκαία για την πρόσβαση σε αυτές τις οδηγίες, αλλά οι αναγνώστες του παρόντος άρθρου μπορούν να τις ζητήσουν δωρεάν από την sara.mueller@sciencebridge.net

  • w7 – Για οδηγίες (στα Γερμανικά) απομόνωσης DNA από κρεμμύδια ή ντομάτες, δείτε την ιστοθέση του Science Bridge (www.sciencebridge.net) ή χρησιμοποιήστε τον απευθείας σύνδεσμο: http://tinyurl.com/7z56745
  • w8 – Για οδηγίες (στα Γερμανικά) για την απομόνωση DNA από θύμο μόσχου, δείτε την ιστοθέση Science Bridge (www.sciencebridge.net) ή χρησιμοποιήστε τον άμεσο σύνδεσμο http://tinyurl.com/6lwu83g
  • w9 – For examples of commercial kits that can be used for PCR analysis at school, see the ‘crime scene investigator PCR basics kit’ on the Biorad website (www.bio-rad.com) and the PCR advanced kits on the Edvotek website (www.edvotek.co.uk).
  • w10 – Για παραδείγματα εμπορικών κιτ που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ανάλυση PCR στο σχολείο, δείτε το «ερευνητής εγκλήματος σκηνής – βασικό κιτ PCR» στην ιστοθέση της Biorad (www.bio-rad.com) και τα προηγμένα PCR κιτ στην ιστοθέση Edvotek (www.edvotek.co.uk).

Resources

  • Για να μάθετε περισσότερα σχετικά με το επαναλαμβανόμενο DNA και τις μεθόδους (RFLP και PCR), δείτε:
    • Klug WS, et al. (2008) Concepts of Genetics 9th edition. San Francisco, CA, USA: Pearson. ISBN: 9780321524041

  • Για να μάθετε περισσότερα σχετικά με τα PCR και STRs, καθώς επίσης και μία παγκόσμια τράπεζα DNA και ιατροδικαστικών ερευνητικών υποθέσεων, δείτε:
    • Goodwin W, Linacre A, Hadi S (2010) An Introduction to Forensic Genetics. Chichester, UK: Wiley-Blackwell. ISBN: 978-0470710197

  • Για ένα παιχνίδι στην τάξη σχετικά με την ανίχνευση DNA, δείτε:
  • Το Πανεπιστήμιο της Αριζόνα, ΗΠΑ, περιγράφει πώς να πραγματοποιήσετε μία σχολική δραστηριότητα σχετικά με το προφίλ DNA χρησιμοποιώντας τα STRs. Δείτε: www.biology.arizona.eduή χρησιμοποιήστε τον απευθείας σύνδεσμο: http://tinyurl.com/7zteg9n
  • Ο δικτυακός τόπος της Πρωτοβουλία του DNA: Προωθώντας την Ποινική Δικαιοσύνη Μέσω της Τεχνολογίας DNA προσφέρει ένα δωρεάν online μάθημα στην ιατροδικαστική εξέταση DNA. Απευθύνεται σε δικηγόρους, αυτό και η συνοδευτική μελέτη περίπτωσης παρέχουν μια εξαιρετική εισαγωγή στο θέμα. Δείτε: www.dna.gov/training/otc
  • Για να διερευνήσετε μία πραγματική βάση δεδομένων από STRs, επισκεφτείτε την ιστοθέση του αμερικάνικου National Institute of Standards and Technology: www.cstl.nist.gov/biotech/strbase
  • Για να μάθετε περισσότερα σχετικά με το πώς διαγιγνώσκονται οι γενετικές παθήσεις, δείτε:

Author(s)

Η Sara Müller σπούδασε βιολογία, χημεία και εκπαίδευση στο Πανεπιστήμιο του Kassel, Γερμανία, και έλαβε το πτυχίο διδασκαλίας στη δευτεροβάθμια εκπαίδευση το 2008. Τον Δεκέμβριο του 2011, τελείωσε διδακτορική της διατριβή στον τομέα της επιγενετικής, επίσης, στο Πανεπιστήμιο του Kassel. Από τον Φεβρουάριο του 2012, κάνει την πρακτική της εξάσκηση ως δασκάλα στο Γκέτινγκεν της Γερμανίας. Έχει διατελέσει μέλος του εκτελεστικού συμβουλίου της Science Bridgew6 για τα τελευταία επτά χρόνια.

Η Heike Gollner-Heibült είναι μια ειδικός στην ιατροδικαστή επιστήμη του DNA, με υπόβαθρο στην μοριακή βιολογία. Σπούδασε ανθρωποβιολογία στο Πανεπιστήμιο Philipps Marburg της Γερμανίας, περνώντας αρκετούς μήνες στο Πανεπιστήμιο Erasmus του Ρότερνταμ, Κάτω Χώρες, και στο Πανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ, Ηνωμένο Βασίλειο. Το 2002, τελείωσε το διδακτορικό της στη μοριακή βιολογία στο Ινστιτούτο Μοριακής Βιολογίας και Ογκολογική Έρευνα στο Marburg και ξεκίνησε να εργάζεται στην εγκληματολογία του DNA ως ειδική σύμβουλος του DNA και ως στέλεχος αναφορών. Αυτή την περίοδο εργάζεται για το Ινστιτούτο Εγκληματολογικών Επιστημών του γραφείου της ποινικής έρευνας στο Βερολίνο, Γερμανία.


Review

Η ιδέα της χρήσης του DNA για την ταυτοποίηση ενός ατόμου μέσα στον πληθυσμό, είναι ευφυής. Η γενετική αποτύπωση ενός ατόμου εξαρτάται από ακολουθίες οι οποίες όμως δεν χρησιμοποιούνται στην κωδικοποίηση. Αλλά, πώς δημιουργήθηκαν αυτά τα αποτυπώματα; Αυτό το άρθρο το εξηγεί. Η ικανότητα να ταυτοποιούμε εγκληματίες από τις βάσεις δεδομένων DNA εγείρει σημαντικά ερωτήματα: είναι ηθικό να παραμένει το ανθρώπινο DNA σε αυτές τις βάσεις δεδομένων ή είναι μια παραβίαση των ανθρωπίνων δικαιωμάτων; Πρέπει να υπάρχει ένα αποτύπωμα του DNA για κάθε άτομο ή απλώς όσοι συλλαμβάνονται; Πόσο καιρό θα πρέπει να διατηρείται το προφίλ DNA;

Οι μαθητές μπορεί να θελήσουν να συζητήσουν για το πώς η γενετική αποτύπωση μπορεί να βοηθήσει στη διάγνωση των γενετικών ασθενειών, καθώς και την εφαρμογή της στην καταπολέμηση της λαθροθηρίας και της εξαφάνισης των ειδών. Ιδανικά, θα πρέπει να είναι σε θέση να δοκιμάσουν την τεχνική για τον εαυτό τους, είτε σε πραγματικό είτε σε προσομοιωμένο πείραμα.


Shelley Goodman, Ηνωμένο Βασίλειο




License

CC-BY-NC-ND