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Von der Genduplikation bis zum Krebs: Wie wirken sich amplifizierte Fragmente auf unsere Gesundheit aus?
In der Molekularbiologie bezeichnet ein amplifiziertes Fragment (Amplikon) ein DNA- oder RNA-Segment. Dieses Gensegment ist die Quelle oder das Produkt eines Amplifikations- oder Replikationsereignisses. Die Bildung amplifizierter Fragmente kann künstlich sein, beispielsweise durch die Verwendung einer Polymerase-Kettenreaktion (PCR) oder einer Ligase-Kettenreaktion (LCR), oder sie kann durch natürliche Genduplikation verursacht werden. Unter Amplifikation versteht man in diesem Zusammenhang den Vorgang der Herstellung einer oder mehrerer Kopien, insbesondere amplifizierter Fragmente.
Das Vorhandensein amplifizierter Fragmente hat wichtige Anwendungen in der Forschung, Forensik und Medizin, einschließlich der Erkennung und Quantifizierung von Infektionskrankheiten, der Identifizierung menschlicher Überreste und der Extraktion von Genotypen aus menschlichem Haar.
Natürliche Genduplikationen spielen eine Schlüsselrolle in der Evolution und werden mit der Entstehung verschiedener Krebsarten beim Menschen in Verbindung gebracht, darunter das primäre mediastinale B-Zell-Lymphom und das Hodgkin-Lymphom. In diesem Zusammenhang können sich amplifizierte Fragmente sowohl auf chromosomale DNA-Fragmente beziehen, die geschert, amplifiziert und wieder in das Genom eingefügt wurden, als auch auf extrachromosomale DNA-Fragmente, die als Doppelminuten bekannt sind und jeweils aus einem oder mehreren Genen bestehen können .
Die Amplifikation der in diesen amplifizierten Fragmenten kodierten Gene erhöht normalerweise die Transkription dieser Gene, was letztendlich zu einer erhöhten Produktion der zugehörigen Proteine führt.
Struktur des amplifizierten Fragments
Im Allgemeinen kann die Struktur der amplifizierten Fragmente direkt wiederholte (Kopf-an-Schwanz) oder umgekehrt wiederholte (Kopf-an-Kopf oder Schwanz-an-Schwanz) Gensequenzen sein und eine lineare Struktur oder eine kreisförmige Struktur sein. Zirkular amplifizierte Fragmente bestehen aus unvollständigen invertierten Wiederholungen, ein Phänomen, von dem angenommen wird, dass es von linear amplifizierten Vorläuferfragmenten herrührt. Die Länge der amplifizierten Fragmente bei der künstlichen Amplifikation wird durch den Zweck des Experiments bestimmt.
Techniken zur Fragmentverstärkung
Aufgrund der Entwicklung von Amplifikationsmethoden wie der Polymerasekettenreaktion (PCR) wurde die Analyse amplifizierter Fragmente möglich. Darüber hinaus ermöglichen diese Technologien mit dem Aufkommen billigerer Gensequenzierungstechnologien mit hohem Durchsatz, wie der berühmten Ion Torrent-Halbleitersequenzierung, eine tiefergehende Untersuchung amplifizierter Fragmente in der Genombiologie und Genforschung.
Anhand des 16S-rRNA-Gens können Wissenschaftler Bakterien klassifizieren, indem sie die amplifizierte Fragmentsequenz mit bekannten Sequenzen vergleichen. Dies gilt auch für das 18S-rRNA-Gen und die nichtkodierende ITS1-Region in der Pilzdomäne.
Welche Methode zur Amplifikation des amplifizierten Fragments auch immer gewählt wird, zur Quantifizierung des amplifizierten Produkts muss eine bestimmte Technik eingesetzt werden. Diese Techniken umfassen typischerweise einen Erfassungsschritt und einen Erkennungsschritt, obwohl die spezifische Implementierung dieser Schritte von der einzelnen Erkennungsmethode abhängt. Beispielsweise identifiziert der Amplicor HIV-1 Monitor Assay (RT-PCR) HIV im Plasma, und der HIV-1 QT (NASBA) wird verwendet, um die Viruslast im Plasma durch Amplifikation von Fragmenten der HIV-RNA zu messen.
Anwendung amplifizierter Fragmente
PCR-Technologie kann verwendet werden, um das Geschlecht anhand menschlicher DNA-Proben festzustellen. Für die Amplifikation und Größenbeurteilung werden die Insertionsstellen für Alu-Elemente ausgewählt. Bei der Geschlechtsbestimmung werden AluSTXa und AluSTYa auf den X- und Y-Chromosomen verwendet, um die Möglichkeit von Fehlern zu verringern. Das eingefügte Chromosom erzeugt bei der Amplifikation größere Fragmente. Männer weisen zwei DNA-Amplifikationsfragmente auf, während Frauen nur eines haben.
Bei der Diagnose von Tuberkulose zielt die LCR-Technologie auf die Sequenz ab, die das Proteinantigen B enthält, und verwendet dabei vier Oligonukleotidprimer, zwei für den Sense-Strang und zwei für den Antisense-Strang. Diese Primer binden in unmittelbarer Nähe zueinander und bilden Teile doppelsträngiger DNA, die nach ihrer Isolierung für eine zukünftige Replikation gezielt verwendet werden können. Das Produkt kann durch einen Mikropartikel-Enzym-Immunoassay (MEIA) nachgewiesen werden.
Während die Untersuchung amplifizierter Fragmente voranschreitet, verbessert sich unser Verständnis der Gene weiter. Welche neuen Veränderungen wird es in Zukunft bei der Anwendung amplifizierter Fragmente bei der Behandlung von Krankheiten und beim Verständnis evolutionärer Prozesse geben? Wird es uns helfen, mehr Antworten auf Gesundheitsmysterien zu finden?
