Направления молекулярной генетики

Клонирование— метод получения нескольких генетически идентичных организмов путем бесполого (в том числе вегетативного) размножения.

Клонирование человека — этическая и научная проблема конца XX-го — начала XXI-го века, состоящая в технической возможности приступить к формированию и выращиванию принципиально новых человеческих существ, точно воспроизводящих не только внешне, но и на генетическом уровне того или иного индивида, ныне существующего или ранее существовавшего — вместе с полной этической неподготовленностью к этому обществу.

Цель клонирования: создание генотипической и фенотипической копии, полностью тождественной клонируемой.

Берется соматическая (не половая) клетка, предполагается, что она должна быть полным аналогом зиготы, из которой выросла данная особь. В принципе такую клетку не найти:

1. Все клетки взрослого организма хотя и содержат диплоидный набор хромосом, но ее генетический состав не соответствует на 100% генетическому составу зиготы, т.к все клетки проходят дифференцировку. А дифференцировка предполагает преобразование генетического состава. Пример- эритробласт.
2. Все клетки имеют шанс развития в них спонтанных мутаций, причем они не определены, т.е. она не изменяет ее жизнедеятельность. Если из этой клетки получить особь, тогда мутация отразится
3. При клонировании берут ядро, а цитоплазма используется яйцеклетки другой особи, возникает вопрос цитоплазматической наследственности. Митохондрии имеют свою ДНК.

1. Из многочисленных попыток клонирования млекопитающих лишь очень малый процент завершился рождением полноценной особи, хотя фенотипически эта особь не отличается от клонируемой. С точки зрения молекулярной биологии реальности этих программ нет

Препятствия клонированию:

• Технологические трудности и ограничения
• Социально-этический аспект
• Этико-религиозный аспект
• Отношение в обществе
• Биологическая безопасность
• Правовой аспект

20Генная инженерия (ее направления, технический алгоритм) и генная терапия. Векторы доставки генов. Основные направления генной инженерии и генной терапии. Генная терапия моногенных болезней.

Генетическая инженерия (генная инженерия) —совокупность приёмов, методов и технологий получения рекомбинантных РНК и ДНК, выделения генов из организма (клеток), осуществления манипуляций с генами и введения их в другие организмы.

Генетическая инженерия не является наукой в широком смысле, но является инструментом биотехнологии, используя методы таких биологических наук, как молекулярная и клеточная биология, цитология, генетика, микробиология, вирусология.

Генная инженерия- это научное направление, цель которого, направленное преобразование определенных функций организма, при внесении организму заданных свойств или коррекции генетических аномалий. Ген. инженерия растений - направленная селекция. Ген. инженерия животных - генетическая терапия. Цель - у экспериментальных животных иногда имеет смысл внедрения гена для создания каких то заболеваний (трансгенные мыши).

Принципы:

1. замена гена (аномального) в какой-то клеточной популяции

2. замена гена на его здоровую копию во всех клетках особи(сложнее).

2 группы болезней:

• Моногенные заболевание обусловлено дефектом одного гена
• Полигенные - на развитие болезни оказывают влияние несколько разных генов.

Вероятность развития - предрасположенность

Основные этапы решения генно-инженерной задачи следующие:

1. Получение изолированного гена.

2. Введение гена в вектор для переноса в организм.

3. Перенос вектора с геном в модифицируемый организм.

4. Преобразование клеток организма.

5. Отбор генетически модифицированных организмов (ГМО) и устранение тех, которые не были успешно модифицированы.

Процесс синтеза генов в настоящее время разработан очень хорошо и даже в значительной степени автоматизирован. Существуют специальные аппараты, снабжённые ЭВМ, в памяти которых закладывают программы синтеза различных нуклеотидных последовательностей. Такой аппарат синтезирует отрезки ДНК длиной до 100—120 азотистых оснований (олигонуклеотиды). Получила распространение техника, позволяющая использовать для синтеза ДНК, в том числе мутантной, полимеразную цепную реакцию. Термостабильный фермент, ДНК-полимераза, используется в ней для матричного синтеза ДНК, в качестве затравки которого применяют искусственно синтезированные кусочки нуклеиновой кислоты — олигонуклеотиды. Фермент обратная транскриптаза позволяет с использованием таких затравок (праймеров) синтезировать ДНК на матрице выделенной из клеток РНК. Синтезированная таким способом ДНК называется комплементарной (РНК) или кДНК. Изолированный, «химически чистый» ген может быть также получен из фаговой библиотеки. Так называется препарат бактериофага, в геном которого встроены случайные фрагменты из генома или кДНК, воспроизводимые фагом вместе со всей своей ДНК.

Чтобы встроить ген в вектор, используют ферменты — рестриктазы и лигазы, также являющиеся полезным инструментом генной инженерии. С помощью рестриктаз ген и вектор можно разрезать на кусочки. С помощью лигаз такие кусочки можно «склеивать», соединять в иной комбинации, конструируя новый ген или заключая его в вектор. За открытие рестриктаз Вернер Арбер, Даниел Натанс и Хамилтон Смит также были удостоены Нобелевской премии (1978 г.).

Техника введения генов в бактерии была разработана после того, как Фредерик Гриффитс открыл явление бактериальной трансформации. В основе этого явления лежит примитивный половой процесс, который у бактерий сопровождается обменом небольшими фрагментами нехромосомной ДНК, плазмидами. Плазмидные технологии легли в основу введения искусственных генов в бактериальные клетки.

Значительные трудности были связаны с введением готового гена в наследственный аппарат клеток растений и животных. Однако в природе наблюдаются случаи, когда чужеродная ДНК (вируса или бактериофага) включается в генетический аппарат клетки и с помощью её обменных механизмов начинает синтезировать «свой» белок. Учёные исследовали особенности внедрения чужеродной ДНК и использовали как принцип введения генетического материала в клетку. Такой процесс получил название трансфекция.

Если модификации подвергаются одноклеточные организмы или культуры клеток многоклеточных, то на этом этапе начинается клонирование, то есть отбор тех организмов и их потомков (клонов), которые подверглись модификации. Когда же поставлена задача получить многоклеточные организмы, то клетки с изменённым генотипом используют для вегетативного размножения растений или вводят в бластоцисты суррогатной матери, когда речь идёт о животных. В результате рождаются детеныши с изменённым или неизменным генотипом, среди которых отбирают и скрещивают между собой только те, которые проявляют ожидаемые изменения.

Векторы доставки генов –ретровирус, которому вместо вирулентного компонента внедрили нормальный ген., а затем в пробирке инкубировали ретровирус и стволовые клетки больных детей. Вирус внедряется в ДНК хозяина, покидает его и часть своей ДНК оставляет в клетке. В клетках появляется фермент, клетки возвращают в кровоток.

СПИД, болезни накопления, гемофилия, наследственная гиперхолестеринемия, онкопатологии, муковисцидоз. потенциально могли бы быть вылечены генной терапией.

Средства доставки нормального гена: ретровирус (тропный к митотически активным клеткам, но встраивается не совсем легко представить куда).

Аденовирусы более точно встраиваются, но их труднее избавить от вирулентных свойств.

Основные проблемы генной инженерии: стабильность внедрения гена, целенаправленность действия, регуляция активности гена, безопасность средства доставки.

Несколько тысяч человек излечены методом генной терапии

Генную терапию на современном этапе можно определить как лечение наследственных, мультифакториальных и ненаследственных (инфекционных) заболеваний путем введения генов в клетки пациентов с целью направленного изменения генных дефектов или придания клеткам новых функций.

Генная терапии.

• Ликвидируется генетическая первопричина.
• Замена дефектного гена
• Лечение онкопатологии

21Методы изучения генетики человека. Медико-генетическое консультирование. Генетические карты и генетический паспорт.

Методы генетики человека

Генеалогический метод заключается в анализе родословных и позволяет определить тип наследования (доминантный рецессивный, аутосомный или сцепленный с полом) признака, а также его моногенность или полигенность. На основе полученных сведений прогнозируют вероятность проявления изучаемого признака в потомстве, что имеет большое значение для предупреждения наследственных заболеваний.

При аутосомном наследовании признак характеризуется равной вероятностью проявления у лиц обоих полов. Различают аутосомно-доминантное и аутосомно-рецессивное наследование.

При аутосомно-доминантном наследовании доминантный аллель реализуется в признак как в гомозиготном, так и в гетерозиготном состоянии.

При аутосомно-рецессивном наследовании рецессивный аллель реализуется в признак в гомозиготном состоянии. Рецессивные заболевания у детей встречаются чаще при браках между фенотипически нормальными гетерозиготными родителями

Сцепленное с полом, наследование характеризуется, как правило, неравной частотой встречаемости признака у индивидуумов разного пола и зависит от локализации соответствующего гена в Х- или Y- хромосоме. В X- и Y-хромосомах человека имеются гомологичные участки, содержащие парные гены. Гены, локализованные в гомологичных участках, наследуются так же, как и любые другие гены, расположенные в аутосомах. По-видимому, негомологичные гены имеются и в Y-хромосоме. Они передаются от отца к сыну и проявляются только у мужчин (голандрический тип наследования).

Y-хромосома почти не несет генетической информации, будучи «генетической пустыней».

Наследование, сцепленное с Х-хромосомой, может быть доминантным и рецессивным (чаще рецессивным).

Популяционный метод

Методы генетики популяций широко применяют в исследованиях человека. Внутрисемейный анализ заболеваемости неотделим от изучения наследственной патологии, как в отдельных странах, так и в относительно изолированных группах населения. Изучение частоты генов и генотипов в популяциях составляет предмет популяционно-генетического исследования. Это дает информацию о степени гетерозиготности и полиморфизма человеческих популяций, выявляет различия частот аллелей между разными популяциями.

Считают, что закон Харди - Вайнберга свидетельствует о том, что наследование как таковое не меняет частоты аллелей в популяции.

Биологический смысл закона Харди-Вайнберга: процесс наследования не влияет сам по себе на частоту аллелей в популяции, а возможные изменения её генетической структуры возникают вследствие других причин. Сумма частот аллелей одного гена, согласно формуле Харди- Вайнберга р+q=1, в генофонде популяции является величиной постоянной. Сумма частот генотипов аллелей данного гена p2+2pq+q2=1 также величина постоянная. (Где p² — доля гомозигот по одному из аллелей; p — частота этого аллеля; q² — доля гомозигот по альтернативному аллелю; q — частота соответствующего аллеля; 2pq — доля гетерозигот)

Однажды возникнув, мутации могут передаваться потомству на протяжении многих поколений. Это приводит к полиморфизму (генетической неоднородности) человеческих популяций. Среди населения Земли практически невозможно (за исключением однояйцевых близнецов) найти генетически одинаковых людей. В гетерозиготном состоянии в популяциях находится значительное количество рецессивных аллелей (генетический груз), обусловливающих развитие различных наследственных заболеваний. Частота их возникновения зависит от концентрации рецессивного гена в популяции и значительно повышается при заключении близкородственных браков.

Близнецовый методиспользуют в генетике человека для выяснения степени наследственной обусловленности исследуемых признаков. Близнецы могут быть однояйцовыми (образуются на ранних стадиях дробления зиготы, когда из двух или реже из большего числа бластомеров развиваются полноценные организмы). Однояйцевые близнецы генетически идентичны. Когда созревают и затем оплодотворяются разными сперматозоидами две или реже большее число яйцеклеток, развиваются разнояйцовые близнецы. Разнояйцовые близнецы сходны между собой не более чем братья и сестры, рожденные в разное время. Частота появления близнецов у людей составляет около 1% (1/3 однояйцевых, 2/3 разнояйцовых); подавляющее большинство близнецов является двойнями.

Так как наследственный материал однояйцевых близнецов одинаков, то различия, которые возникают у них, зависят от влияния среды на экспрессию генов. Сравнение частоты сходства по ряду признаков пар одно- и разнояйцовых близнецов позволяет оценить значение наследственных и средовых факторов в развитии фенотипа человека.

Цитогенетический метод

Цитогенетический метод используют для изучения нормального кариотипа человека (полный хромосомный набор человека называется кариотипом), а также при диагностике наследственных заболеваний, связанных с геномными и хромосомными мутациями. Кроме того, этот метод применяют при исследовании мутагенного действия различных химических веществ, пестицидов, инсектицидов, лекарственных препаратов и др.

В период деления клеток на стадии метафазы хромосомы имеют более четкую структуру и доступны для изучения. Диплоидный набор человека состоит из 46 хромосом: 22 пар аутосом и одной пары половых хромосом (XX - у женщин, XY - у мужчин). Обычно исследуют лейкоциты периферической крови человека, которые помещают в специальную питательную среду, где они делятся. Затем готовят препараты и анализируют число и строение хромосом. Разработка специальных методов окраски значительно упростила распознавание всех хромосом человека, а в совокупности с генеалогическим методом и методами клеточной и генной инженерии дала возможность соотносить гены с конкретными участками хромосом. Комплексное применение этих методов лежит в основе составления карт хромосом человека. Цитологический контроль необходим для диагностики хромосомных болезней, связанных с анеуплоидией (2n+1, 2n-1, 2n+2, 2n+3) и хромосомными мутациями.

При цитологических исследованиях интерфазных ядер соматических клеток можно обнаружить так называемое тельце Барра, или половой хроматин. Оказалось, что половой хроматин в норме есть у женщин и отсутствует у мужчин.

Выявление многих наследственных заболеваний возможно еще до рождения ребенка. Метод пренатальной диагностики заключается в получении околоплодной жидкости, где находятся клетки плода, и в последующем биохимическом и цитологическом определении возможных наследственных аномалий. Это позволяет поставить диагноз на ранних сроках беременности и принять решение о ее продолжении или прерывании.

Биохимический метод

Биохимический метод позволяет обнаружить нарушения в обмене веществ, вызванные мутациями генов и, как следствие, изменением активности различных ферментов.

Наследственные заболевания, которые обусловлены генными мутациями, изменяющими структуру или скорость синтеза белков, обычно сопровождаются нарушением углеводного, белкового, липидного и других типов обмена веществ. Наследственные дефекты обмена можно диагностировать посредством определения структуры измененного белка или его количества, выявления дефектных ферментов или обнаружения промежуточных продуктов обмена веществ во внеклеточных жидкостях организма (крови, моче, поте и т.д.).