FOLOSIREA BAZELOR DE DATE GENETICE ÎN EDUCAŢIE GENETIKAI ADATBÁZISOK FELHASZNÁLÁSA AZ OKTATÁSBAN Prof. József Éva Liceul Teoretic Bolyai Farkas, Tg.Mureş, Mureş De ce să folosim baze de date genetice în educaţie? Cum se pot explica fără dificultate concepte complexe de genetică moleculară, genetică umană, evoluţie moleculară în aşa fel ca elevii să înţeleagă şi corelaţiile dintre ele? Prin lucrarea prezentă caut răspunsul la întrebările formulate anterior prezentând activitatea cercului ştiinţific Appendix al Liceului Teoretic Bolyai Farkas. Bioinformatica este ştiinţa care se ocupă cu depozitarea şi prelucrarea datelor imense care s-au acumulat de-a lungul timpului despre biologia şi genetica moleculară. În genomul uman există 3 miliarde de nucleotide, ar fi foarte anevoios să căutăm sau să prelucrăm date în cadrul acestor inormaţii numai prin observare simplă. Totodată căutarea secvenţelor nucleotidice este numai primul pas în cunoaşterea genomului uman, pentru aflarea funcţiilor acestora, a implicaţiilor lor în sănătatea sau bolile umane, evoluţia moleculară a speciei umane necesită prelucrări complexe. Bioinformatica permite prelucrarea datelor din două perspective: depozitarea datelor pe de-o parte şi prelucrarea acestora din diferite puncte de vedere de exemplu evidenţierea similitudinilor din secvenţele diferitelor specii (alignment). În cadrul lucrării mele voi prezenta modalităţile de căutare a informaţiilor despre genomul uman în cadrul bazei de date www.ensembl.org, dar şi prelucrarea datelor prin procedee asigurate de baza de date www.geneious.org precum şi folosirea acestora în activitatea ştiinţifică şcolară 1
Miért használjunk bioinformatikai adatbázisokat az iskolai oktatásban? Hogyan lehet könnyen és közérthetően elmagyarázni molekuláris genetikával, humángenetikával és evolúció elmélettel kapcsolatos információkat úgy, hogy a diákok az összefüggéseket is megértsék? Ezekre a kérdésekre keresem a választ bemutatva a Bolyai Farkas Elméleti Líceum Appendix Természettudományos Diákkörének munkáját. A molekuláris genetika tanítása nehéz feladattá vált hazánkban az elmúlt években. A tanűgyminisztérium által javasolt reform új tanterve elvont és nagyon részletes információkat tartalmaz. Ezzel egyidőben, ugyanez a reform száműzte az evolúció elmélet tanítását a középiskolai tantervből. Ezeknek a problémáknak áthidalására használtam az Appendix Természettudományos Diákkörben és a tanításban a bioinformatikai adatbázisokat. Az adatbázisok használata segít látványossá tenni néhány, a molekuláris genetika által felvetett problémát, mint az emberi gének szerkezetét és szerepét, a rák genetikáját és nem utolsó sorban a molekuláris evolúciót. A bioinformatika hatalmas biológiai információ tárolásának, az ebben való keresésnek és elemzésnek a tudománya. Az emberi genomban 3 milliárd nukleotid található, nehéz lenne ezek szekvenciáit követni, elemezni egyszerű megfigyeléssel. Ugyanakkor a szekvenciák megismerése még csak a kezdet, hiszen további feldolgozást igényel ezek funkciója, a gének szerepe, kapcsolatuk betegségekkel. A bioinformatika két alapvető információ feldolgozást kínál: információtárolást adatbázisok formájában, valamint információ feldolgozási eszközöket, amelyekkel érdekes műveleteket, pl. összehasonlítás alapú kereséseket tesznek lehetővé.[1] Az Appendix Természettudományos diákkörben kifejtett munka a 2010-2011.-es tanévben bioinformatikai adatbázisok segítségével történt. A tudományos diákkör céljául tűzte ki az alapvető kutatási stratégiák középiskolás szinten való alkalmazását kutatásmodellező technikák révén. Az aktuális tudományos kutatás témáit felölelve a diákok az új iránti nyitottságot, a szakirodalom és az alapvető kutatási technikák helyes használatát sajátították el. A matematikai, kémiai, informatikai gondolkodási modellek alkalmazása biológia témájú feladatok megoldásában a tantárgyak közötti logikai egységesség, átjárhatóság elvét követte. A módszerek között kiemelt jelentőséget kapott a felfedezésen alapuló oktatás, kooperatív oktatási modellek, csoportkutatás, mozaik módszer, kísérletezés. Nem kis jelentőséget kapott a foglakozások során a szövegértés, kommunikáció, internetes és nyelvi kompetenciák fejlesztése, az anyanyelvű és idegen nyelvű szaknyelv használata. 2
Táblázat:Válogatás az Appendix diákkörben feldolgozott témakörök közül A foglalkozás témája 1. Klasszikus humángenetika - kromoszómák és gének 2. Hogyan öröklődnek tulajdonságaink?- matematikai modellek a monohibridizáció, polihibridizáció, poliallélia, poligénia, episztázis esetében 3. A rokonházasságok genetikai következményei esettanulmányok 4. Férfiasság és nőiesség genetikai háttere 5. Geneious program www.geneious.org megismerése, szekvenciaillesztés és evolúció 6. Bioinformatikai adatbázisok felkutatása - az emberi változatosság, SNPs fogalma, a www.ensembl.org adatbázis megismerése és felhasználása 7. Felismersz egy rák mutációt? - A DNS szekvenálás szimulálása, a www.cosmic.org weboldal megismerése A továbbiakban a molekuláris törzsfák elkészítésének módszerét mutatom be a www.geneious.org adatbázis és program segítségével. A DNS alapu törzsfák elkészítésének előnye az, hogy a tulajdonságok anyagi alapjait, a géneket tartalmazzák. Az általunk összehasonlított DNS szekvencia a mitokondriális DNS-ből (mtdns-ből) származik. A mitokondrium a sejt energiáját felszabadító sejtszervecskéje, minden mitokondriumnak saját, kis méretű genomja van, a sejtek nagy számú mitokondriumot tartalmaznak, így könnyű mitokondrális DNS-t kivonni. Ezzel magyarázható az, hogy ősi és mai élőlények összehasonlításának kedvelt genetikai anyaga. Szekvenciaillesztés ( alignment ): két vagy több nukleotid- vagy aminosav-szekvencia olyan elrendezése, amely megmutatja, hogy az összehasonlított szekvenciák hol hasonlítanak, illetve hol különböznek egymástól. A szekvenciaillesztés meghatározza az illesztett szekvenciák közötti azonosság, illetve eltérés mértékét. Hasonló szekvenciák esetén a különböző fajokból származó szekvenciák közötti eltérések a fajok független evolúciós múltja során gyűjtött mutációk eredményei. A mutációk száma, vagyis a szekvenciaeltérés foka ezért megfeleltethető a két faj közti evolúciós 3
távolsággal: minél régebben vált el egymástól két faj, annál nagyobb lesz a szekvenciaeltérés. Az optimális illesztés minimalizálja a fán a mutációs lépések számát.[2] 1. Belépés az adatbázisba: 2.ábra: a www.geneious.org weboldal 2. A szekvenciaillesztés kiválasztása a bal oldali menüből történik, ugyanakkor bejelölhetjük a vizsgálatra kiválasztott gént. Ebben az ábrában COXII génjének szekvenciái közötti hasonlóságokat és különbségeket vizsgáljuk. A COXII, citokróm oxidáz II alegységének a génjéről bővebb információt a geneious program által kínált NCBI adatbázis felkeresésével kaphatunk, amit a bal oldali menüből választunk ki ( tetszőleges lehetőség). 3.ábra: A szekvenciaillesztés kiválasztása 3. Ahhoz, hogy egyszerűbb és értelmezhetőbb ábrát kapjunk, különböző fajokat jelölhetünk ki. Ebben az ábrában a majmok és emberszabású majmok COXII génjét vizsgáljuk: 4
4.ábra: A kívánt szekvenciák kijelölése 4. A kívánt szekvenciák összehasonlítása akár szabad szemmel is elvégezhető. Felnagyítva a szekvenciákat megfigyelhetjük a sötét zölddel jelölt régiókat, amelyek teljes azonosságot jelentenek. Megfigyelhető, hogy az ilyen típusú szakaszok nagy számban fordulnak elő. Ennek kapcsán feladatokat jelölhetünk ki diákjainknak pl. Milyen típusú nukleotid behelyettesítések gyakoribbak a vad típushoz viszonyítva, hogyan magyarázhatjuk, hogy egyes nukleotidok helyettesítése gyakoribb (gondoljunk a nukleotidok vegyi szerkezetére)? 5.ábra: kívánt szekvenciák összehasonlítása 6. Azt is megfigyelhetjük, hogy a szabad szemmel való összehasonlítás nagyon idő- és energiaigényes. A geneious program lehetőséget kínál egy sokkal egyszerűbb módszerre, a statisztikai összehasonlításra. Ennek érdekében megnyitjuk a Statisztika ablakot (Statistic box) a jobb oldali menüből. A statisztikai ablakban leolvashatók az adott szakasz számszerűsített adatai: a szekvencia hossza, hasonlóság a kiválasztott szekvenciák között, az adott szakasz nukleotid összetétele. 5
6.ábra: Statisztikai összehasonlítás 7. Az evolúciós törzsfa felállítása szekvenciaillesztés alapján a fás ábrázolás kijelölésével történik a megfelelő ábrázolási modellt és módszert kiválasztva: 7.ábra: Az evolúciós törzsfa beállításának lépései Az evolúciós törzsfa megjelenítése a beállítások utáni OK gombra való kattintással történik. Ha az elágazások felíratozását is kérjük (Show Branch Labels), a megjelenő számok a különbségek ( bázis helyettesítések) mértékét adják meg. Az adott törzsfa legközelebbi rokonunknak a COXII gén estében a csimpánzt jelöli meg, majd a gorillát és még távolabbi rokonunknak az orangutánt. A molekuláris evolúció igazolja a klasszikus evolúcióelmélet empirikusan felállított vagy hasonlóság alapú rokonságának hipotézisét a főemlősök között. 7.ábra: Az evolúciós távolságot is megjelenítő törzsfa A diákkörünkben a bioinformatikai adatbázisok felhasználásával olyan munkák születtek meg, amelyeket különböző versenyeken mutattak be diákjaink. Ilyenek voltak a TUDEK (Tudományos Diákkörök Erdélyi Konferenciája), TUDOK (Tudományos Diákkörök Országos Konferenciája) a 6
Kutató Diákok Szövetségének szervezésében, valamint a Magyar Tannyelvű Középiskolák Országos Tantárgyversenye, amelyet már hatodik éve iskolánk szervez. A munkák bemutatásával a diákok idén TUDEK és TUDOK első díjat, nagydíjat, illetve hazai versenyünkön dícséretet kaptak. A dolgozatok elkészítésének elsődleges feltétele a jó ötlet, a bioinformatikai adatbázisokat a kutatás kiegészítésére használtuk, mint genetikai különbségek azonosítására férfiak és nők között a Különbözünk, de miért? című dolgozatban (szerzői: Germán Salló Zsófia, Kelemen Krisztina), illetve a rák kialakulásának módjainak vizsgálatára A rák mint genetikai betegség című dolgozatban (szerzője: Ferencz Arnold Béla). Nagy hangsúlyt fektetünk diákkörünkben a tudomány népszerűsítő munkára is. Ennek jegyében szervezzük meg minden évben a Mindentudás Iskolája előadássorozatot, amelyben diákjaink az adott évben elkészített tudományos munkájukról számolnak be. Mindezek és az elkészített dolgozatok weboldalunkon kerülnek bemutatásra http://www.bolyai.ro/appendix. A diákkör minden természettudományos területet felölel. Weboldalunkon a matematika, fizika, kémia és biológia terén végzett tudományos munkák és elkészített diák dolgozatok egyaránt megtalálhatók. Irodalomjegyzék 1. Louisa Wright, Sandra Orchard, Phil Jones: Exploring genomes-a treasure hunt on the internet, Enhancing biology teaching using biological databases, EMBL-European Bioinformatics Institute, UK, 8-10 March 2010 2. Dean Madden: Introduction to species comparison, Enhancing biology teaching using biological databases, EMBL-European Bioinformatics Institute, UK, 8-10 March 2010 3. Ensembl Genome Browser http:// www.ensembl.org 4. http://www.geneious.org SZERZŐ József Éva, biológia tanár, a biológia katedra főnöke, Bolyai Farkas Elméleti Líceum, Marosvásárhely, jozsef.eva@gmail.com 7