Тема 9 - Успехи современной генетики в медицине и здравоохранени. Основные направления исследований ученых генетиков
 Скачать 104.6 Kb.
|
|
Введение: Генетика - одна из самых передовых наук естествознания. Генетика - это биологическая наука о наследственности и изменчивости организмов и способах их контроля. Центральным понятием генетики является «ген». Это элементарная единица наследственности, характеризующаяся рядом характеристик. Генетика основывалась на закономерностях наследственности, открытых австрийским биологом Г. Менделем в ходе серии экспериментов по скрещиванию различных сортов гороха. Основные направления исследований ученых - генетиков: Изучение молекул нуклеиновых кислот, которые являются хранителями генетической информации каждого живого вида, единиц наследственности. Изучение механизмов и закономерностей передачи генетической информации. Изучение механизмов внедрения генетической информации в конкретные признаки и свойства живых существ. В настоящее время генетика разделена на множество разделов. В зависимости от объекта исследования выделяются такие разделы генетики, как генетика человека, генетика растений, генетика микроорганизмов и другие. Идеи и методы генетики играют важную роль в медицине, сельском хозяйстве, микробиологической промышленности, а также в генной инженерии. Генетика - одно из самых перспективных направлений современной медицины. На современном этапе генетические технологии сделали большой шаг вперед, и, в основном благодаря исследованиям, они превратились в мощную область, имеющую большое прикладное значение в медицине. И я уверен, что это значение увеличивается с каждым годом. Задачей медицинской генетики является выявление, изучение, профилактика и лечение наследственных заболеваний, а также разработка способов предотвращения вредного воздействия факторов окружающей среды на наследственность человека. Благодаря успехам медицинской науки и научно-техническим достижениям последних лет, процент признания генетически детерминированной патологии в структуре заболеваемости, смертности и инвалидности увеличивается. Так, в странах с развитой системой здравоохранения генетические факторы определяют: 80% умственная отсталость, 70% врожденной слепоты; 50% врожденная глухота; 40-50% самопроизвольных абортов и выкидышей; 20-30% младенческой смертности. Среди причин, по которым дети госпитализируются в неспециализированные больницы, наследственные заболевания составляют от 20 до 40% всех случаев. Другими словами, в среднем каждый четвертый ребенок, поступающий в больницу общего профиля, является ребенком с наследственной патологией. Естественно, среди детей с умственной отсталостью, потерей слуха, глухотой и потерей зрения гораздо больше пациентов с наследственными заболеваниями. Генетика После широкого распространения учения К. Дарвина одним из первых критиков, который указал на слабое место в теории, был шотландский исследователь Ф. Дженкинс. В 1867 году он отметил, что в дарвиновской теории нет ясности в вопросе о том, как происходит накопление в потомстве определенных изменений. В самом деле, сначала изменения в характере происходят только у некоторых людей. После скрещивания с нормальными особями следует наблюдать не накопление, а разбавление этой черты у потомства. То есть в первом поколении остаются Ѕ изменения, во втором - ј изменения и т. д. вплоть до полного исчезновения этого знака. К. Дарвин не нашел ответа на этот вопрос. Между тем, решение этой проблемы существовало. Его принял учитель монастырской школы в Брно (Чехия) Г. Мендель. В 1865 году были опубликованы результаты его работы по гибридизации сортов гороха, где были обнаружены наиболее важные законы наследственности. Автор показал, что признаки организмов определяются дискретными наследственными факторами. Еще до публикации книги К. Дарвина он хотел проследить судьбу изменений в генотипах у разных поколений гибридов. Объектом исследования был горох. Мендель взял две разновидности гороха - с желтыми и зелеными семенами. Скрестив эти два сорта, он обнаружил у гибридов первого поколения горох с желтыми семенами. Путем самоопыления полученных гибридов он получил второе поколение. В нем появились особи с зелеными семенами, но их было заметно меньше, чем с желтыми. Подсчитав количество тех и других, Мендель пришел к выводу, что число особей с желтыми семенами относится к числу особей с зелеными примерно как 3: 1. Параллельно он провел ряд других экспериментов с растениями, отслеживая любые признаки в нескольких поколениях. В каждом эксперименте первого поколения проявлялся только один из родительских признаков. Мендель назвал это доминирующим. Он назвал временно исчезающий знак рецессивным. Во всех экспериментах отношение числа особей с доминирующим признаком к числу особей с рецессивным признаком среди гибридов второго поколения в среднем составляло 3: 1. Таким образом, можно утверждать, что при скрещивании растений с противоположными признаками не происходит разбавления признаков, а происходит подавление одного признака другим; следовательно, необходимо различать доминантные и рецессивные признаки. Мендель пошел дальше в своих экспериментах. Он сам загрязнил гибриды второго поколения и получил гибриды третьего, а затем и четвертого поколения. Он обнаружил, что гибриды второго поколения с рецессивным признаком при дальнейшем размножении не распадаются ни в третьем, ни в четвертом поколениях. Около трети гибридов второго поколения с доминирующей чертой также ведут себя так же. Две трети гибридов с доминирующим признаком разделяются при переходе к гибридам третьего поколения, и опять же, в соотношении 3: 1. Гибриды третьего поколения, полученные в результате этого расщепления с рецессивным признаком, и треть гибридов с доминирующим признаком не расщепляются при переходе в четвертое поколение, а оставшиеся гибриды третьего поколения расщепляются, и снова в 3: 1 соотношение. Этот факт демонстрирует важное обстоятельство: индивиды с одинаковыми внешними признаками могут обладать разными наследственными свойствами, то есть фенотип нельзя судить с достаточной полнотой относительно генотипа. Если особь не обнаруживает расщепление у потомства, то это называется гомозиготным, если оно обнаружено, оно является гетерозиготным. В результате Г. Мендель сформулировал закон единообразия гибридов первого поколения: гибриды первого поколения, благодаря проявлению в них только доминантных признаков, всегда единообразны. Этот закон также называют первым законом Менделя или законом доминирования. Однако результаты его исследований оставались почти неизвестными в течение почти 35 лет - с 1865 по 1900 год. В 1900 году законы Менделя были заново открыты независимо тремя учеными: Г. де Фрисом в Голландии, К. Корренсом в Германии и Э. Чермаком в Австрии. В 1909 году датский ученый В. Йохансен ввел понятие «ген» (от греческого слова «происхождение»). Хромосомная теория наследственности, разработанная в 1910–1915 годах в трудах А. Вейсмана, Т. Моргана, А. Стертеванта, Г. Дж. Меллера и других, утверждает, что передача признаков и свойств организма из поколения в поколение ( наследственность) осуществляется главным образом через хромосомы, в которых расположены гены. В 1944 г. американские биохимики (О. Эйвери и др.) Обнаружили, что ДНК является носителем свойства наследственности. С этого времени началось бурное развитие науки, которая изучает основные проявления жизни на молекулярном уровне. Тогда впервые появился новый термин этой науки молекулярная биология. Молекулярная биология исследует, как и в какой степени рост и развитие организмов, хранение и передача наследственной информации, преобразование энергии в живых клетках и другие явления определяются структурой и свойствами биологически важных молекул (главным образом белков и нуклеиновых кислот). В 1953 году структура ДНК была расшифрована (Ф. Крик, Д. Уотсон). Расшифровка структуры ДНК показала, что молекула ДНК состоит из двух комплементарных полинуклеотидных цепей, каждая из которых выступает в качестве матрицы для синтеза новых похожих цепей. Свойство удвоения ДНК обеспечивает феномен наследственности. Расшифровка структуры ДНК была революцией в молекулярной биологии, которая открыла период крупных открытий, общим направлением которого является развитие представлений о сущности жизни, о природе наследственности, изменчивости, метаболизма. Согласно молекулярной биологии, белки представляют собой очень сложные макромолекулы, структурными элементами которых являются аминокислоты. Структура белка определяется последовательностью его формирования аминокислот. Кроме того, из 100 аминокислот, известных в органической химии, только двадцать используются в образовании белков всех организмов. До сих пор не ясно, почему именно эти 20 аминокислот синтезируют белки органического мира. В целом, в любом существе, живущем на Земле, есть 20 аминокислот, 5 оснований, 2 углевода и 1 фосфат. К концу 19-го века в результате повышения оптических свойств микроскопов и совершенствования цитологических методов стало возможным наблюдать поведение хромосом в гаметах и зиготах. Материальная основа наследственности стала ясна около 50 лет назад, когда Ф. Крик и Дж. Уотсон расшифровали структуру ДНК. Задолго до этого биологи, изучая передачу наследственных признаков при скрещивании, поняли, что каждая черта определяется отдельной частицей, которая называется геном. Оказалось, что гены лежат в ядре клетки, в хромосомах. После открытия роли ДНК и механизма синтеза белка стало ясно, что ген представляет собой участок цепи ДНК, на котором записана структура молекулы определенного белка. В одних генах всего 800 нуклеотидных пар, в других около миллиона. У человека всего около 90 тысяч генов. Каждая нить молекулы ДНК представляет собой цепочку из четырех типов единиц - нуклеотидов, повторяющихся в разном порядке. Нуклеотиды обычно считаются парами, поскольку в молекуле ДНК две цепи и их нуклеотиды связаны попарно в поперечных связях. Четыре разновидности нуклеотидов, четыре «буквы» позволяют записать генетический текст, который читается по механизмам синтеза белка в живой клетке. Группа из трех последовательных нуклеотидов, действуя по довольно сложному механизму передачи, заставляет рибосому - внутриклеточную частицу, участвующую в синтезе белка - поглощать определенную аминокислоту из цитоплазмы. Затем следующие три нуклеотида через посредников диктуют рибосоме, какую аминокислоту поместить в цепочку белка в следующем месте, и, таким образом, молекула белка постепенно получается. Информации, записанной в ДНК тройками нуклеотидных пар, достаточно, чтобы построить новый организм со всеми его функциями. Генетическая информация хранится в виде нуклеотидной последовательности. Он передается в клетке от ДНК к РНК. В ходе этой реакции воспроизводится часть последовательности ДНК, синтезируется ген и синтезируется РНК-мессенджер. Родилась новая ветвь генетики - геномика, которая изучает целые геномы. До недавнего времени, основываясь на достижениях молекулярной биологии и генной инженерии, можно было читать генетические тексты грибковых вирусов, дрожжевых бактерий, и, наконец, в 1998 году, после 8 лет напряженной работы, можно было читать геном многоклеточное животное - нематода (маленький червь, обитающий в почве). Расшифровывается геномом человека. Геном нематоды состоит из приблизительно 100 миллионов нуклеотидных пар. Геном человека состоит из 3 миллиардов пар. Создана международная программа «Геном человека». Лаборатории разных стран сообщают данные о декодировании (секвенировании) нуклеотидов в Международный банк данных, доступный для каждого исследователя. Его результаты необходимы для понимания происхождения человека и других видов, эволюции молекул и клеток, взаимодействия информации с потоками веществ и энергии в живых системах. Сегодня ученые полностью расшифровали структуру и расположение всех генов, присутствующих в организме человека. Но потребуется много времени и денег, чтобы понять законы функционирования генов - оценка, которая превращает солистов (гены) в гармоничный оркестр. Э. Геккель сформулировал биогенетический закон в 1866 г. на основе идей К. Дарвина и исследований Ф. Мюллера. Поэтому его называют биогенетическим законом Э. Геккеля - Ф. Мюллера. Биогенетический закон в 1910 году был существенно уточнен А.Н. Северцев (1866 - 1936), создавший теорию филембриогенеза. Согласно этому закону, эмбрионы в процессе развития повторяют в несколько сокращенной форме эволюционный путь, пройденный их предками, то есть существует сходство между эмбриональным развитием и эволюционным процессом. В настоящее время установлено, что зародыши высших форм животных похожи на зародыши низших форм. Ранние стадии развития эмбрионов удивительно похожи у всех позвоночных, и нелегко отличить человеческий эмбрион от эмбриона свиньи, курицы, лягушки или рыбы. Повторение (перепросмотр) в онтогенезе филогенетических признаков может быть неполным, при определенных искажениях, связанных с дальнейшими эволюционными трансформациями, в частности, могут быть повторены особенности соответствующих фаз развития наследственных форм. Важнейшим достижением биогенеза является формирование устройств генетического программирования, позволяющих закрепить достигнутые результаты. Конкуренция различных программ в борьбе за существование приводит к двум важным последствиям: Во-первых, естественный отбор улучшает индивидуальные программы развития личности. Во-вторых, возникает программирование направления эволюции видов. В этом случае сама биосфера становится программным устройством. Ведь оно определяет особенности, скорость и направление эволюционных преобразований видов, составляющих его состав. Основные положения генетики На сегодняшний день установлено, что ген - это единица наследственного материала, ответственная за формирование любого элементарного признака, то есть единицы наследственной информации, которая представляет собой часть молекулы ДНК. Хромосомы - это структурные элементы ядра клетки, которые состоят из молекулы ДНК и белков, содержат набор генов с наследственной информацией, содержащейся в них. Существует два типа клеток - половые клетки (гаметы) и соматические. В ядре каждой клетки находятся нитевидные хромосомы, которые являются гигантскими молекулами ДНК в сочетании с белковыми молекулами. Молекулы ДНК содержат всю информацию, которая определяет генотип данного организма. Отдельные участки хромосомы, ответственные за определенные наследственные признаки, называются генами. Каждая хромосома содержит несколько сотен генов. Каждому виду соответствует определенный набор хромосом, определяемый количеством хромосом и их генетическими характеристиками. Например, в овсе содержится 42 хромосомы, в плодовой мухе Drosophila 8, в шимпанзе 48, в организме человека 46 хромосом. Ядро каждой соматической клетки содержит полный набор хромосом, соответствующих этому виду. То есть в каждой клетке организма содержится вся наследственная информация. В то же время каждая гамета (зародышевая клетка) имеет вдвое меньше хромосом, чем соматическая клетка. Набор хромосом соматической клетки включает две половые хромосомы. У женщин обе половые хромосомы одинаковы (две Х хромосомы). У мужчин половые хромосомы различны (Х-хромосома и Y-хромосома). Несексуальные хромосомы, присутствующие в соматической клетке, делятся на пары. Хромосомы (гомологичные), попадающие в одну пару, очень похожи друг на друга. Каждый из них содержит одинаковое количество генов, которые сходным образом расположены на цепях хромосом и отвечают за одинаковые типы символов. Например, у гороха есть пара гомологичных хромосом, каждая из которых содержит ген, окрашивающий семена. Этот ген имеет две разновидности (аллели) - доминантные и рецессивные, соответственно существуют доминантные и рецессивные аллели. Кроме того, если ген в обеих гомологичных хромосомах представлен одинаковыми аллелями, то этот индивидуум является гомозиготным по рассматриваемому признаку. Если один аллель содержится в одной хромосоме, а другой - в другой гомологичной хромосоме, то этот индивид является гетерозиготным. В его фенотипе появляется симптом, соответствующий доминантному аллелю. У гаметы только одна половая хромосома. У женщины это всегда Х-хромосома. У мужчин это может быть Х или Y хромосома. В дополнение к одной половой хромосоме гамет содержит одну хромосому из каждой пары гомологичных хромосом. Во время оплодотворения мужская гамета сливается с женской. Оплодотворенная женская гамета (зигота) имеет полный набор хромосом. В каждой паре гомологичных хромосом одна хромосома получена от отца, а другая от матери. Тело развивается от зиготы через деление клеток. В каждом случае делению клетки предшествует дублирование (удвоение) всех хромосом, содержащихся в ядре клетки. В результате ядро каждой соматической клетки в организме содержит тот же набор хромосом и генов, что и зигота. Генетический материал всех живых существ состоит из ДНК - молекулярного волокна длиной до нескольких сантиметров, состоящего из нуклеотидов, которые отличаются друг от друга наличием одного из четырех оснований: аденина A, цитозина C, гуанина G и тимина T Эти нуклеотиды обладают фундаментальным свойством комплементарности. Таким образом, основание A соответствует основанию T, а основание C соответствует основанию G. Стабильная форма ДНК представляет собой спираль из двух комплементарных цепей. Свойство комплементарности играет главную роль в репликации генетического материала, а также в экспрессии генов. У человека геном образован примерно 3 · 109 (тремя миллиардами) нуклеотидами, содержащими 23 различных цепи ДНК, сжатых в компактные образования белками, окружающими их, и образующими 23 хромосомы. В зависимости от размера каждая хромосома содержит текст, состоящий из 100-300 миллионов «букв» A, C, G, T. Каждая клетка нашего тела содержит две практически идентичные копии каждой хромосомы (диплоидное состояние): одна хромосома является копией из отцовских хромосом, другой является материнским. И только в половых клетках (гаметах) есть одна копия каждой хромосомы (гаплоидное состояние). Нестабильное, нестабильное состояние гена, когда он начинает мутировать в десятки, сотни раз чаще, чем обычно, связано не с изменениями внутри самого гена, а с введением определенного «контролирующего» элемента, который может бродить вокруг хромосомы в область его расположения. Эти элементы влияют на гены «вкл» и «выкл», т. у. на уровень наследственной изменчивости. Одним из самых удивительных открытий для генетиков за последние 15-20 лет стало осознание повсеместности мобильных элементов, общности их структуры и участия в разнообразных генетических явлениях. У мобильных генов есть повторы на одном и другом конце. Такие генетические тексты, обрамленные повторениями, начинают вести свою собственную жизнь отдельно от общей наследственной системы. Именно такая структура позволяет увеличить количество копий в хромосомах. Они подчиняют близлежащие гены своему звуку, который либо замолкает, либо усиливает активность, либо начинает работать в другом режиме. Включив участок ДНК, ответственный за удвоение себя, мобильный элемент превращается в плазмиду, которая независимо размножается вне дочерней хромосомы в бактериях и вне ядра в клетках высших организмов. В классической генетике: мутация происходит случайно; отдельные лица подчиняются им; их частота очень мала. В «мобильной генетике» изменения не случайны, в зависимости от типа движущегося элемента; они подчиняются многим людям; их частота велика, может достигать десяти процентов. Подвижность активных элементов связана с регулярными вспышками мутаций определенных генов, обнаруженных в природных популяциях дрозофилы. Темп мутационного процесса является переменным, поэтому время от времени популяции или виды вступают в «мутационный» период. Самым поразительным открытием в области генетики в последние годы является возможность переноса генов или групп генов от одного вида к другому (иногда даже в самые дальние) с помощью мобильных элементов. благодаря движущимся элементам генофонды всех организмов объединяются в общий генофонд всего живого мира. Это особенно ярко продемонстрировали плазмиды с детерминантами устойчивости к антибиотикам в колоссальном эксперименте, невольно нанесенном людьми на бактерии. Используя гектициды, люди расширяют эксперимент на насекомых, и в ответ их популяции, вероятно, будут покрыты определенными, быстро распространяющимися генетическими элементами, которые повышают сопротивляемость организма («генетическая экспансия»). Предполагается, что однажды в клетках насекомых поселились бактерии - симбионты, которые постепенно переносили большинство своих генов в ядро и превращались в митохондрии и пластиды. Это отличный пример переноса генов у проэукариот.  Способность клеток одного вида поглощать ДНК других, порой эволюционно далеких видов, возможность горизонтального переноса генов считается «одним из главных чудес XX века». Классическая генетика гласит: каждый ген расположен на своей собственной хромосоме и занимает строго фиксированное положение на ней. Теперь есть много вариантов для перемещения элементов, которые могут изменить свое место на хромосоме и даже перейти от хромосомы к хромосоме. Таким образом, новые признаки тела могут родиться. Современная генетика обеспечила новые возможности для исследования деятельности организма: с помощью индуцированных мутаций можно выключать и включать почти любые физиологические процессы, прерывать биосинтез белков в клетке, изменять морфогенез, останавливать развитие на определенной стадии. Мы теперь можем глубже исследовать популяционные и эволюционные процессы, изучать наследственные болезни, проблему раковых заболеваний и многое другое. В последние годы бурное развитие молекулярно-биологических подходов и методов позволило генетикам не только расшифровать геномы многих организмов, но и конструировать живые существа с заданными свойствами. Таким образом, генетика открывает пути моделирования биологических процессов и способствует тому, что биология после длительного периода дробления на отдельные дисциплины вступает в эпоху объединения и синтеза знаний Международный проект «Геном человека» был начат в 1988 г. Это один из самых трудоемких и дорогостоящих проектов в истории науки. Основная цель проекта было изучение последовательности нуклеотидных оснований во всех молекулах ДНК человека и установление локализации, т.е. полное картирование всех генов человека. Что же представляет собой основной предмет проекта - геном человека? Известно, что в ядре каждой соматической клетки (кроме ядра ДНК есть еще и в митохондриях) человека содержится 23 пары хромосом, каждая хромосома представлена одной молекулой ДНК. Суммарная длина всех 46 молекул ДНК в одной клетке равна приблизительно 2 м, они содержат около 3,2 млрд пар нуклеотидов. Общая длина ДНК во всех клетках человеческого тела (их примерно 5х1013) составляет 1011 км, что почти в тысячу раз больше расстояния от Земли до Солнца. Как же помещаются в ядре такие длиннющие молекулы? Оказывается, в ядре существует механизм «насильственной» укладки ДНК в виде хроматина - уровни компактизации. В ходе выполнения проекта «Геном человека» было разработано много новых методов исследования, большинство из которых в последнее время автоматизировано, что значительно ускоряет и удешевляет работу по расшифровке ДНК. Эти же методы анализа могут использоваться и для других целей: в медицине, фармакологии, криминалистике и т.д. В мире каждый сотый ребенок рождается с каким-либо наследственным дефектом. К настоящему времени известно около 10 тыс. различных заболеваний человека, из которых более 3 тыс. - наследственные. Уже выявлены мутации, отвечающие за такие заболевания, как гипертония, диабет, некоторые виды слепоты и глухоты, злокачественные опухоли. Обнаружены гены, ответственные за одну из форм эпилепсии, гигантизм и др. В последние годы была открыта молекулярная основа наследственности, расшифрован генетический код; создаются новые искусственные гены; в пробирках выращиваются вирусы; из клеток зрелого организма создаются идентичные близнецы лягушек и овец; в пробирках оплодотворяются человеческие клетки; женщинам пересаживают эмбрионы; врачи лечат многие наследственные заболевания; выращиваются гибриды крыс и мышей. Успехи в развитии генетики человека сделали возможными предупреждение и лечение наследственных заболеваний. Практические мероприятия, направленные на поддержание наследственного здоровья человека, на охрану генофонда человечества, осуществляются через систему медико-генетических консультаций. Их основная цель — информировать заинтересованных лиц о вероятности риска появления в потомстве больных. Современная генетика предлагает возможность создавать новые организмы для тех или иных целей, поставленных человеком: растения, синтезирующие удобрения прямо из воздуха; бактерии, производящие человеческие белки; бактерии, которые питаются загрязняющими веществами или производящие белки из нефти; вирусы, переносящие человеческие гены. Перспективы развития генетики С каждым годом мы становимся чуть ближе к тому, чтобы предотвращать развитие наследственных болезней на этапе развития плода. Основной инструмент, способный на такое волшебство, — это генное редактирование при помощи технологии CRISPR. Именно она позволяет буквально влезать в ДНК, удалять или преобразовывать нужные гены. По прогнозам генетиков, уже к концу второго десятилетия XXI века на смену привычным прививкам придут генетические вакцины, и медики получат возможность навсегда покончить с такими неизлечимыми болезнями, как рак, болезнь Альцгеймера, диабет, астма. В этом направлении ведутся научные исследования, которое имеет свое название - генотерапия. По некоторым прогнозам, примерно в 2020 году на свет будут появляться исключительно здоровые дети: уже на эмбриональной стадии развития плода генетики смогут исправлять наследственные неполадки. Ученые прогнозируют, что в 2050 году будут попытки по усовершенствованию человеческого вида. Мы прочтем всё, что записано в наших хромосомах, и научимся это понимать, воспользуемся этим, чтобы исправить все найденные ошибки. К этому времени научимся проектировать людей определенной специализации: математиков, физиков, художников, поэтов, а может быть, и гениев. Исполнится мечта человека: процессом старения, несомненно, можно будет управлять, а там недалеко и до бессмертия. |