تعریف ژنتیک مولکولی

ژنتیک مولکولی شاخه‌ای از زیست‌شناسی است که بر ساختار و عملکرد ژن‌ها در سطح مولکولی تمرکز دارد. این شاخه شامل مطالعه مکانیزم‌هایی است که از طریق آن‌ها اطلاعات ژنتیکی انتقال یافته، بیان و تنظیم می‌شوند. برخی از جنبه‌های کلیدی ژنتیک مولکولی عبارتند از:

• ساختار و عملکرد DNA: درک ساختار شیمیایی DNA، نحوه رمزگذاری اطلاعات ژنتیکی و چگونگی تکثیر و انتقال این اطلاعات در طول تقسیم سلولی.

• بیان ژن: بررسی نحوه روشن و خاموش شدن ژن‌ها در سلول‌ها، نحوه رونویسی mRNA از DNA و چگونگی سنتز پروتئین‌ها از الگوهای mRNA از طریق فرآیندهای رونویسی و ترجمه.

• جهش‌های ژنتیکی و تنوع‌ها: تحقیق درباره چگونگی تاثیر تغییرات در توالی DNA (جهش‌ها) بر عملکرد ژن و منجر شدن به اختلالات ژنتیکی یا تنوع در صفات.

• نقشه‌برداری ژنتیکی و شبیه‌سازی: تکنیک‌هایی که برای شناسایی مکان ژن‌ها روی کروموزوم‌ها و شبیه‌سازی ژن‌ها برای مطالعه بیشتر استفاده می‌شوند.

• فناوری DNA نوترکیب: روش‌هایی مانند شبیه‌سازی ژن، CRISPR و سایر ابزارهای مهندسی ژنتیک که به دانشمندان امکان می‌دهند توالی‌های DNA را برای مطالعه عملکرد ژن یا ایجاد موجودات تراریخته (GMO) دستکاری کنند.

• ژنومیک: مطالعه کل ژنوم‌ها که شامل تعیین توالی، نقشه‌برداری و تحلیل مجموعه کامل DNA در یک موجود است.

• اپی‌ژنتیک: بررسی تغییرات در بیان ژن که شامل تغییرات در توالی DNA نیست، اغلب از طریق تغییرات شیمیایی DNA یا پروتئین‌های هیستونی.

• مسیرها و شبکه‌های مولکولی: درک نحوه تعامل ژن‌ها و محصولات آن‌ها (RNA و پروتئین‌ها) در شبکه‌های پیچیده برای تنظیم عملکردهای سلولی و توسعه موجودات.

ژنتیک مولکولی برای درک فرآیندهای اساسی زندگی، تشخیص و درمان اختلالات ژنتیکی، و پیشرفت بیوتکنولوژی و پزشکی بسیار حیاتی است.

تاریخچه ژنتیک مولکولی:

تاریخ ژنتیک مولکولی مملو از کشفیات و تحولات کلیدی است که به طور قابل توجهی دانش ما را در زمینه زیست‌شناسی پیش برده‌اند. کارهای گریگور مندل بر روی گیاهان نخود در سال ۱۸۶۶ پایه‌های درک چگونگی به ارث رسیدن صفات را بنا نهاد. اگرچه کار او تا اوایل قرن بیستم به رسمیت شناخته نشد، اما مفهوم ژن‌ها به عنوان واحدهای وراثتی را تثبیت کرد. در سال ۱۸۶۹، فریدریش میشر ماده‌ای را به نام "نوکلئین" از هسته‌های سلول‌های سفید خون جدا کرد که بعداً به عنوان DNA شناخته شد.

اوایل قرن بیستم شاهد بازکشف کارهای مندل در سال ۱۹۰۰ توسط هوگو دو وریس، کارل کورنس و اریش فون تشرماک بود که نقش ژن‌ها را تأیید کرد. کار توماس هانت مورگان بر روی مگس‌های میوه در سال ۱۹۱۰ نشان داد که ژن‌ها روی کروموزوم‌ها قرار دارند و به نظریه کروموزومی وراثت منجر شد.

عصر مولکولی در میانه قرن بیستم با چندین کشف کلیدی آغاز شد. در سال ۱۹۴۴، آزمایش اواری-مک‌لئود-مک‌کارتی DNA را به عنوان اصل تبدیل شونده شناسایی کرد و نشان داد که DNA اطلاعات ژنتیکی را حمل می‌کند. کشف اروین شارگاف در سال ۱۹۵۰ که DNA از هر گونه‌ای دارای نسبت ۱:۱ بازهای پیریمیدین و پورین است (A=T و C=G)، برای درک ساختار DNA حیاتی بود. آزمایش هرشی-چیس در سال ۱۹۵۲ با استفاده از باکتریوفاژها نشان داد که DNA، نه پروتئین، ماده ژنتیکی در ویروس‌ها است. در سال ۱۹۵۳، جیمز واتسون و فرانسیس کریک با استفاده از داده‌های پراش ایکس ری روزالیند فرانکلین، ساختار دو رشته‌ای DNA را پیشنهاد دادند که نشان داد چگونه اطلاعات ژنتیکی ذخیره و تکثیر می‌شود.

رشد زیست‌شناسی مولکولی در اواخر قرن بیستم پیشرفت‌های بیشتری را به همراه داشت. در سال ۱۹۶۱، مارشال نیربرگ و هاینریش ماثایی اولین کدون از کد ژنتیکی را رمزگشایی کردند و نشان دادند که چگونه توالی‌های DNA سنتز پروتئین را دیکته می‌کنند. کشف آنزیم‌های محدود کننده توسط همیلتون اسمیت و همکارانش در سال ۱۹۷۰ به ابزارهای اساسی برای دستکاری DNA و فناوری DNA نوترکیب تبدیل شد. توسعه روش پایان زنجیره (توالی‌یابی سنگر) توسط فردریک سنگر در سال ۱۹۷۷ امکان توالی‌یابی سریع DNA را فراهم کرد. در سال ۱۹۸۳، کری مولیس واکنش زنجیره‌ای پلیمراز (PCR) را اختراع کرد، تکنیکی انقلابی که امکان تکثیر توالی‌های خاص DNA را فراهم می‌کند و پژوهش‌های زیست‌شناسی مولکولی را متحول کرد.

تحولات مدرن در ژنتیک مولکولی با راه‌اندازی پروژه ژنوم انسان در سال ۱۹۹۰ ادامه یافت، یک تلاش بین‌المللی برای توالی‌یابی کل ژنوم انسان که در سال ۲۰۰۳ به پایان رسید و نقشه‌ای جامع از ژن‌های انسانی را ارائه داد. دهه ۲۰۰۰ شاهد پیشرفت‌های فناوری CRISPR-Cas9 بود، که توسط جنیفر دودنا، امانوئل شارپنتیه و دیگران توسعه یافت و به ابزاری قدرتمند برای ویرایش دقیق ژنوم تبدیل شد و پژوهش‌های ژنتیکی و بیوتکنولوژی را متحول کرد. پروژه ENCODE در سال ۲۰۱۲ نقشه‌ای دقیق از عناصر عملکردی در ژنوم انسان ارائه داد و درک ما از تنظیم ژن را بهبود بخشید. این نقاط عطف نشان دهنده پیشرفت سریع از درک اصول اساسی ژنتیک تا دستکاری ژن‌ها در سطح مولکولی است که پیشرفت‌های پزشکی، بیوتکنولوژی و دانش بنیادین ما از زندگی را به جلو رانده است.

ژنتیک مولکولی در مطالعات و تحقیقات حیوانی:

استفاده از ژنتیک مولکولی در مطالعات و پژوهش‌های حیوانی انقلابی در زمینه زیست‌شناسی ایجاد کرده و بینش‌های عمیقی در زمینه ژنتیک، تکامل، توسعه و بیماری فراهم آورده است. در اینجا به برخی از کاربردهای کلیدی اشاره می‌شود:

 درک پایه ژنتیکی صفات

ژنتیک مولکولی به پژوهشگران امکان می‌دهد ژن‌های مسئول صفات خاص در حیوانات را شناسایی و مطالعه کنند. این شامل درک چگونگی تأثیر ژن‌ها بر ویژگی‌های فیزیکی، رفتارها و حساسیت به بیماری‌ها می‌شود. با دستکاری ژن‌ها در موجودات مدل مانند موش‌ها، پژوهشگران می‌توانند اثرات تغییرات ژنتیکی خاص را مشاهده کرده و بینش‌هایی درباره عملکرد و تنظیم ژن‌ها کسب کنند.

 پژوهش‌های بیماری

مدل‌های حیوانی، به‌ویژه موجودات تغییر یافته ژنتیکی، برای مطالعه بیماری‌های انسانی بسیار حیاتی هستند. با ایجاد مدل‌های حیوانی که حامل ژن‌های بیماری انسانی هستند، دانشمندان می‌توانند مکانیزم‌های مولکولی زیر بنای این بیماری‌ها را بررسی کرده، درمان‌های احتمالی را آزمایش و استراتژی‌های درمانی جدید را توسعه دهند. به عنوان مثال، موش‌هایی که به صورت ژنتیکی برای حمل جهش‌های مرتبط با فیبروز سیستیک، آلزایمر یا سرطان مهندسی شده‌اند، به طور گسترده‌ای برای مطالعه این شرایط و آزمایش داروهای جدید استفاده می‌شوند.

 زیست‌شناسی تکاملی

ژنتیک مولکولی به ردیابی روابط تکاملی میان گونه‌ها از طریق مقایسه توالی‌های DNA کمک می‌کند. این امر به دانشمندان امکان می‌دهد درختان فیلوژنتیکی بسازند و درک کنند که گونه‌های مختلف چگونه با یکدیگر مرتبط بوده و در طول زمان تکامل یافته‌اند. همچنین به شناسایی تغییرات ژنتیکی که به سازگاری و بقا گونه‌ها در محیط‌های مختلف کمک کرده‌اند، کمک می‌کند.

 ژنتیک حفاظتی

ژنتیک مولکولی در زیست‌شناسی حفاظتی برای ارزیابی تنوع ژنتیکی در جمعیت‌های گونه‌های در معرض خطر، درک ساختار جمعیت آنها و توسعه استراتژی‌های حفاظت از آنها استفاده می‌شود. تکنیک‌هایی مانند بارکدینگ DNA به شناسایی گونه‌ها و ردیابی تجارت غیرقانونی حیات وحش کمک کرده و به تلاش‌های حفاظتی کمک می‌کنند.

 زیست‌شناسی توسعه‌ای

پژوهش در زیست‌شناسی توسعه‌ای از ژنتیک مولکولی برای درک چگونگی کنترل ژن‌ها در توسعه یک موجود از یک سلول منفرد به یک موجود چند سلولی پیچیده استفاده می‌کند. با مطالعه الگوهای بیان ژن و دستکاری ژن‌ها در جنین‌های حیوانی، پژوهشگران می‌توانند نقش ژن‌های خاص در توسعه و تمایز را کشف کنند.

بیوتکنولوژی و کشاورزی

ژنتیک مولکولی در کشاورزی برای بهبود نژادهای دام و توسعه حیوانات تغییر یافته ژنتیکی با ویژگی‌های مطلوب مانند مقاومت به بیماری، رشد بهتر یا ارزش غذایی بیشتر، به کار می‌رود. این امر می‌تواند منجر به روش‌های کشاورزی پایدارتر و کارآمدتر شود.

ویرایش ژن و ژنومیک عملکردی

تکنیک‌هایی مانند CRISPR-Cas9 ژنتیک مولکولی را با امکان ویرایش دقیق ژنوم متحول کرده‌اند. این فناوری برای مطالعه عملکرد ژن از طریق ایجاد مدل‌های حیوانی knock-out یا knock-in استفاده می‌شود که به درک نقش ژن‌های خاص در سلامت و بیماری کمک می‌کند.

 توسعه دارو

مدل‌های حیوانی برای آزمایش‌های پیش‌بالینی داروهای جدید ضروری هستند. ژنتیک مولکولی امکان ایجاد مدل‌هایی که دقیقاً بیماری‌های انسانی را تقلید می‌کنند، فراهم کرده و یک پلتفرم دقیق‌تر برای آزمایش کارایی و ایمنی دارو قبل از ورود به آزمایش‌های بالینی ارائه می‌دهد.

 ژنتیک رفتاری

مطالعات در ژنتیک رفتاری پایه ژنتیکی رفتار حیوانات را بررسی می‌کنند. با بررسی چگونگی تأثیر تغییرات ژنتیکی بر رفتار، پژوهشگران می‌توانند بینش‌هایی درباره عوامل عصبی و ژنتیکی مؤثر بر رفتار کسب کرده و این دانش را برای درک اختلالات رفتاری انسانی نیز به کار ببرند.

به طور کلی، ژنتیک مولکولی ابزارها و تکنیک‌های قدرتمندی ارائه می‌دهد که توانایی ما را در مطالعه و دستکاری ترکیب ژنتیکی حیوانات افزایش داده و منجر به پیشرفت‌های قابل توجهی در زیست‌شناسی، پزشکی، کشاورزی و حفاظت شده است.

بخش آنالیز مولکولی و ژنتیک انستیتو تحقیقاتی رستا
بخش سلولی و مولکولی رستا در سال 1397 در قالب دو زیر مجموعه‌ی مجزای پی‌سی‌آر و ارزیابی بیان ژنی و بخش استخراج پروتئین و ارزیابی بیان پروتئینی فعالیت خود را آغاز نموده است. این بخش در حقیقت از دو مجموعه پی سی آر کمی و وسترن بلات تشکیل گردیده است. مجموعه‌ی رستا در این دو زیر مجموعه سعی دارد بیان ژنی و پروتئینی را در قالب تحقیقاتی ارائه دهد. 

خدمات بخش PCR

• طراحی پرایمر 
• استخراج RNA
• سنتز cDNA
• انجام مراحل سیکل PCR کمی و غیر‌کمی
• تصویر برداری ژل آگارز از بیان ژنی 
• آنالیز داده‌های qRT-PCR و PCR غیر‌کمی 

خدمات بخش وسترن بلات

• استخراج پروتئین
• وسترن بلات
• آنالیز تغییرات پروتئینی