Генетика ожиріння: лабораторна діяльність

Близько 1,5 мільярда людей у ​​всьому світі страждають від надмірної ваги або ожиріння. Ми просто їмо занадто багато або можемо звинуватити наші гени? Ось як слід досліджувати генетику ожиріння в класі.

лабораторна


Зображення надано Colros/
Flickr

Ожиріння є великою проблемою, багато в чому. Більше 10% дорослого населення світу страждає ожирінням; в деяких країнах це зростає до 40%. Хвороби серця, діабет 2 типу, деякі види раку, ускладнення вагітності, проблеми із суглобами, депресія та тривожність - все це пов’язано з ожирінням w1 .

Зміни в поширеності
ожиріння дорослих: відсоток
дорослого населення с
індекс маси тіла 30 або
більше, в 11 країнах
Джерело даних: Міжнародний
Асоціація з вивчення
Ожиріння (www.iaso.org)

Легкодоступна їжа, багата калоріями, і більш малорухливий спосіб життя зазвичай звинувачують у приголомшливому зростанні ожиріння, але чи можуть наші гени бути частиною проблеми? Ця стаття знайомить з деякими сучасними дослідженнями генетики ожиріння, а також із методом, розробленим європейським проектом Xplore Health для вилучення ДНК, першим кроком для дослідників, які прагнуть виявити можливі «жирові гени».

Вилучення ДНК було б підходящим для учнів середнього (віком 14-16 років) або просунутих (віком від 16 років) і могло б бути виконане за один урок. Якщо цей метод не підходить для ваших студентів чи лабораторії, спробуйте один із двох альтернативних методів (заснованих на одних і тих же принципах, але з використанням більш доступних матеріалів), використовуючи заморожений горошок (Madden, 2006) або фрукти ківі w2. Вказівки щодо діяльності w5 також можна завантажити у форматі Word або PDF з веб-сайту Science in School.

Тема ожиріння також надає корисний спосіб представити поточні генетичні дослідження та етичні проблеми в контексті, щодо якого студенти можуть мати певний особистий досвід та думки. Зрештою, скільки підлітків не люблять фаст-фуд і ледарі перед телевізором? Інші ресурси, включаючи дискусійний пакет для подальшого вивчення питань, доступні на веб-сайті Xplore Health w3 .

Визначення ожиріння

Хтось вважається ожирінням, якщо він має індекс маси тіла (ІМТ) 30 і більше. Здоровий діапазон - 18,5-25. ІМТ обчислюється шляхом ділення ваги людини в кілограмах на квадрат їх зросту в метрах.

ІМТ = вага (кг)
(висота (м)) 2

Хоча ІМТ є корисним керівництвом, він не дозволяє змінювати статури та склад тіла. Наприклад, спортсменів, які мають велику кількість м’язової маси, часто вважають надмірною вагою, якщо оцінювати лише ІМТ.

Яке відношення до цього мають гени?

Ожиріння протікає в сім'ях. Чи означає це, що ожиріння є генетичним, чи це просто означає, що сім'ї поділяють нездорові харчові звички? Можливо, як не дивно, але дослідження близнюків показали, що ожиріння може бути до 70% генетичним, оскільки брати і сестри, які мають однакові гени (однояйцеві близнюки), набагато частіше мають однакову форму тіла, ніж неідентичні близнюки (O'Rahilly & Farooqi, 2006).

Дослідники виявили ряд варіантів генів (алелей), які, схоже, пов’язані з ожирінням. Деякі з них рідкісні і вражають дуже невелику кількість людей, тоді як інші є досить поширеними і збільшують ризик збільшення ваги серед значної частини населення (таблиця 1).

Рідкісні варіанти одного гена

Кілька загальних варіантів генів

Вплив на масу тіла

Дуже мало людей припадає на велику зайву вагу

У багатьох людей доводиться трохи зайвої ваги

Асоціація з іншими клінічними станами

Може асоціюватися з рідкісними захворюваннями, напр. вроджений дефіцит лептину, дефіцит MC4R

Одна з багатьох `` нормальних '' різноманітних характеристик людини, але може також асоціюватися з іншими загальними захворюваннями, наприклад діабет 2 типу

Як вони знайдені?

Дослідження генів-кандидатів, дослідження на тваринах, секвенування екзомів

Загальногеномні дослідження асоціацій

Пренатальне генетичне тестування та генна терапія

Розуміння ризику захворювання та адаптація стратегій профілактики захворювань


Ожиріння, дефіцит лептину
миша (ліворуч) поруч із звичайною
миша (справа)
Зображення надано США
Департамент енергетики, Дуб
Національна лабораторія Рідж

Ген Ob є одноваріантною причиною ожиріння. Він контролює апетит, виробляючи гормон, який називається лептин. Люди, які мають дві дефектні копії цього гена, не можуть виробляти лептин і постійно бажають їжі. Люди з ожирінням, дефіцитними лептину, які отримували ін’єкції лептину, повернулися до нормальної ваги. Ще одним геном, який виявився діяти подібним чином, є ген Mc4r, який є частиною сигнального шляху, який контролює харчову поведінку (O’Rahilly & Farooqi, 2006).

Однак ці мутації з одним геном зустрічаються досить рідко. Виявлено деякі інші, набагато більш поширені варіанти генів, які, хоча і не є безпосередньою причиною ожиріння, роблять носіїв більше шансів надати вагу. Приклади включають варіанти гена Fto та гена Tmem18. Дослідження показали, що люди з однією копією варіанту Fto важать в середньому на 1,2 кг більше, ніж люди з іншими варіантами, тоді як люди з двома копіями варіанту Fto важать в середньому на 3 кг більше.

То чи людям, які носять ці більш поширені «жирні гени», судилося страждати ожирінням, чи вони можуть уникнути своєї долі? Ці варіанти генів просто схильні до набору ваги, але при здоровому харчуванні та способі життя немає жодної причини, чому перевізники не могли б підтримувати здорову вагу.

Дослідники ожиріння також вивчають епігенетику (взаємодія між генами та навколишнім середовищем) і те, як сигнальні шляхи (наприклад, гормони та нервова система) в організмі впливають на обмін речовин і поведінку. Вони сподіваються, що завдяки кращому розумінню складної природи апетиту, метаболізму та накопичення жиру можна буде розробити кращі методи лікування або стратегії контролю над споживанням їжі у людей, які генетично схильні до ожиріння.

Діяльність учнів: Вилучення власної ДНК

Клацніть на зображення, щоб збільшити.
Зображення надано @el taller
interactivo, Parc Científic de
Барселона

Матеріали

  • Мікропіпетки або градуйовані піпетки для перенесення
    Якщо у вас немає мікропіпеток, ви можете використовувати калібровані/градуйовані одноразові пластикові піпетки для перенесення. На цих піпетках «стебло» градуйоване, що дозволяє переносити обсяги менше 1 мл з достатньою точністю для цього експерименту.
  • Одноразові петельки для культури або щічні тампони


Зображення надано @el taller
interactivo, Parc Científic de
Барселона

  • Невеликий сокіл з пробіркою або пробіркою із застібкою або ковпачком
  • Сокольні пробірки - це калібровані пробірки з гвинтовими ковпачками. Якщо у вас їх немає, просто використовуйте звичайні пробірки

  • Водяна баня при температурі 40 ° C (за бажанням)
  • Дезінфікуючий розчин
  • Розчин лізису
  • Розчин протеїнази К
  • Розчин ацетату натрію
  • Холодний етанол або ізопропіловий (втираючий) спирт (зберігати в морозильній камері до необхідності)


Зображення надано @el taller
interactivo, Parc Científic de
Барселона

Метод

  1. Помістіть 1 мл розчину для лізису у вашу пробірку Falcon або пробірку.
  1. Енергійно зішкребте петлю або тампон навколо внутрішньої частини щік та по всьому мові.
  1. Помістіть петлю або тампон в буфер для лізису та перемішайте, щоб зрушити клітини.


Зображення надано @el taller
interactivo, Parc Científic de
Барселона

  1. Помістіть петлю або тампон в дезінфікуючий засіб.
  1. Повторіть кроки 2-4 ще два рази, щоб переконатися, що ви отримуєте багато клітин. Щоразу використовуйте нову петлю або тампон.
  1. Додайте до вашої пробірки 20 мкл (або 1 краплю, якщо ви використовуєте піпетки для перенесення) протеїнази К.
  1. Закрийте пробірку і переверніть її пару разів, щоб перемішати.
  1. Інкубуйте суміш на водяній бані або при кімнатній температурі протягом 10 хв.


Зображення надано @el taller
interactivo, Parc Científic de
Барселона

  1. Додайте 100 мкл ацетату натрію.
  1. Закрийте трубку і добре струсіть, щоб перемішати.
  1. Додайте 3 мл холодного етанолу.
  1. Закрийте пробірку і дуже повільно переверніть її, щоб перемішати.
  1. Ваша ДНК повинна виглядати як білуватий жилистий осад.

Інструкція з техніки безпеки

Розчини можуть дратувати очі та шкіру, тому одягайте лабораторне пальто, захисні окуляри та рукавички. Слина може переносити хвороби; обробляйте лише власні петлі або тампони і кладіть використані предмети в дезінфікуючий засіб.

Утилізація: рідини можна зливати в раковину великою кількістю води. Використані петлі або тампони можна помістити в звичайні відходи після дезінфекції протягом 15 хвилин.

Питання для обговорення

  • Що означає «лізис»? Як це допомагає виділити ДНК?
  • Буфер для лізису містить миючий засіб, який називається SDS. Використовуючи свої знання про будову клітин, що, на вашу думку, робить миючий засіб?
  • Усередині клітин ДНК виявляється щільно звитою і пов'язаною з різними білками. Який етап допомагає звільнити ДНК з білків?
  • Що говорить останній крок про розчинність ДНК як у солоній воді, так і в етанолі?
  • Як ви могли підтвердити, що білий осад насправді є ДНК?

Діяльність з розширення

  • Порівняйте цей метод вилучення ДНК з більш простими методами із застосуванням замороженого горошку (Madden, 2006) або плодів ківі w2. Чим вони відрізняються? Який з них працює найкраще? Ви можете пояснити, чому? Чи можете ви з’ясувати, який метод найближчий до методу, який використовують професійні генетики?
  • Простого вилучення чиєїсь ДНК недостатньо, щоб визначити, чи є у них схильність до ожиріння. Які ще тести потрібно було б зробити? Дізнайтеся більше про методи, що використовуються в генетичних дослідженнях.
  • У багатьох країнах батьки, які страждають серйозними генетичними захворюваннями, такими як муковісцидоз або гемофілія, можуть вибрати доімплантаційну генетичну діагностику, щоб уникнути народження дітей, які переносять цю хворобу. Чи вважаєте ви, що ця процедура повинна бути доступною для батьків, які мають генетичну схильність до ожиріння? Чи погоджуються з вами ваші однокласники?

Чому існує так багато різних методів вилучення ДНК?

Це лише один із багатьох опублікованих методів вилучення ДНК з клітин (наприклад, Медден, 2006, та веб-сайт Голих вчених w2). Вони варіюються від найпростіших (з використанням рідини для миття та кухонної солі) до методів, що використовують хімічні речовини, більш звичні для молекулярних біологів. Принципи екстракції у всіх випадках однакові: для розщеплення клітинних мембран використовується миючий засіб, додається фермент для перетравлення білків, що утримують ДНК, що щільно згортається, а потім додається сіль і холодний спирт для створення умов, коли ДНК нерозчинна.

Головна відмінність полягає в тому, що чим вдосконаленіший метод, тим чистішою буде отримана ДНК. Наприклад, найпростішим методом багато пектину змішується з ДНК. Очевидно, дослідникам ожиріння та іншим молекулярним біологам потрібно, щоб їх зразки були якомога чистішими.

Джерело та підготовка реагентів

Розчин для лізису (50 мл)

  1. Приготуйте сольовий розчин, забуференний трис (TBS), згідно з інструкціями виробника або стандартним рецептом.
    TBS можна придбати у вигляді готового рішення, у формі таблеток або виготовити з нуля w4 .

Інструкція з техніки безпеки

Рекомендується готовий розчин додецилсульфату натрію (SDS), оскільки порошковий SDS є шкідливим при вдиханні. Якщо використовується порошкоподібний SDS, вчитель повинен приготувати розчин, одягнувши маску та використовуючи витяжку. Див. Також загальну інструкцію з техніки безпеки в школі.

  1. Якщо використовується готовий 10% розчин SDS, додайте 5 мл SDS до 45 мл TBS.
  2. Якщо використовується порошкоподібний SDS, розчиніть 0,5 г у 50 мл TBS.
  3. Зберігайте у холодильнику до необхідності.

3 М розчин ацетату натрію (для 50 мл)

  1. Розчиніть 12,3 г безводного ацетату натрію в 50 мл дистильованої води.
  2. Додайте розбавлену HCl для регулювання рН 5,2.
  3. Зберігайте у холодильнику до необхідності.

Протеїназа К (100 мкг/мл)

  1. Розчиніть 1 мг протеїнази К у 10 мл сольового розчину, забуференного трис.
    Потрібна лише дуже мала кількість ферменту, тому ви можете захотіти скласти менший об’єм, якщо у вас є достатньо точний баланс. Просто відрегулюйте кількість відповідно.
  2. Зберігайте у морозильній камері до необхідності.

Дезінфікуючий розчин

Відповідні дезінфікуючі засоби включають 0,015 М розчину гіпохлориту натрію, 1% розчину Virkon® або 5% вітчизняного відбілювача. Після замочування щонайменше 15 хв петлі можна перекласти в поліетиленовий пакет (надіти рукавички) і утилізувати разом із звичайними відходами.

Щоб допомогти вам знайти необхідні реактиви, перелік номерів продуктів для Sigma-Aldrich наведено в таблиці 2. Однак ви також зможете отримати їх у інших постачальників.

Номер продукту Sigma-Aldrich

Список літератури

  • Krotscheck F (2010) Використання передової науки в рамках навчальної програми: збалансування ваги тіла. Наука в школі16: 19-26.
  • Медден Д (2006) Відкриття ДНК. Наука в школі1: 34-36.
  • O’Rahilly S, Farooqi IS (2006) Генетика ожиріння. Філософські угоди Королівського товариства Лондонської біологічної науки361 (1471): 1095–1105. doi: 10.1098/rstb.2006.1850

Веб-посилання

  • w1 - Інформаційний бюлетень Всесвітньої організації охорони здоров’я № 311 Ожиріння та надмірна вага доступний на веб-сайті ВООЗ.
  • w2 - Простий метод вилучення ДНК, який використовує фрукти ківі та не потребує спеціальних хімічних речовин або обладнання, можна знайти на веб-сайті Голі вчені.
  • w3 - Ви можете завантажити метод вилучення ДНК, детально описаний у цій статті, а також ідеї уроків, ігри та відео, пов’язані з ожирінням та іншими темами в галузі охорони здоров’я, на веб-сайті Xplore Health. Веб-сайт та більшість ресурсів доступні англійською, іспанською, французькою, польською та каталонською мовами. Xplore Health - це європейський освітній проект науковців, освітян, наукових центрів та музеїв. Він пропонує молодим людям інноваційні мультимедіа та практичний досвід щодо передових медичних наук, щоб подолати розрив між дослідженнями та освітою.

    Щоб дізнатись більше про ожиріння, його причини, наслідки та лікування, а також етичні, правові та соціальні аспекти, пов’язані з ожирінням, завантажте довідкову інформацію для освітян «Криза жиру? (доступно англійською, французькою, польською та іспанською мовами) на веб-сайті Xplore Health.

    Ресурси

      Експеримент був розроблений для проекту Xplore Health за допомогою вчених з Інституту досліджень біомедицини в Барселоні, Іспанія. Щоб дізнатись більше про дослідження, відвідайте веб-сторінку дослідницької групи з питань молекулярної патології та терапії гетерогенних та полігенних захворювань або прочитайте одну з оригінальних статей дослідження:

  • Анімація процесу вилучення ДНК доступна на веб-сайті Університету штату Юта Learn Genetics.
  • Бюлетень з питань генетики та ожиріння можна завантажити з веб-сайту британського Національного центру освіти та розвитку з питань генетики.

Автор

Сара Маклюскі - позаштатна письменниця, редактор та консультант з питань освіти. Вона також викладає біохімію в Ньюкаслському коледжі, Великобританія.

Розіна Малагріда має ступінь хіміка в Університеті Барселони, Іспанія, і ступінь магістра в галузі наукових комунікацій в Імперському коледжі Лондона, Великобританія. Вона спеціалізується на неформальній освітній діяльності, в основному на основі досліджень здоров’я. В даний час вона очолює Центр громадської участі у дослідженні здоров'я в Ірсі Кайкса в Барселоні, де вона координує європейський освітній портал Xplore Health w3. Раніше Розіна працювала в Науковому парку Барселони та в наукових музеях Лондона та Барселони, розробляючи виставки, експериментальні семінари, ярмарки та дебати, щоб зменшити розрив між дослідженнями та суспільством.

Лорена Вальверде має ступінь біології в Університеті Барселони, Іспанія, а також ступінь магістра імунології в Університеті Барселони та Автономному університеті Барселони. В даний час Лорена здобуває ступінь доктора біомедицини та працює викладачем Барселонського університету. Вона співпрацювала з Xplore Health, пропонуючи експериментальні семінари для студентів та широкої громадськості в науковому парку Барселони.