I. Человек - сложный объект генетических исследований
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКАЯ КАРТА
Теоретического занятия
Специальность 34.02.01. « Сестринское дело»
ОП. 04. Генетика человека с основами медицинской генетики
Раздел 1 Генетика человека с основами медицинской генетики-теоретический фундамент современной медицины.
Тема 1.1.Генетика и её место в системе наук.
Тип занятия Урок приобретения знаний, умений и навыков.
Форма проведения Теоретическое занятие, лекция.
ПЛАН И СОДЕРЖАНИЕ ЗАНЯТИЯ
(структура занятия)
План лекции:
1.Предмет, задачи, методы и основные этапы становления медицинской генетики.
2.Вклад зарубежных и отечественных учёных в развитии генетики.
3.Связь дисциплины «Генетика человека с основами медицинской генетики» с другими дисциплинами.
Генетика человека как наука. Задачи генетики человека на современном этапе.
Известно более 4000 наследственных болезней человека. 2,5%
новорожденных имеют наследственные болезни. 40% случаев ранней детской смертности и инвалидности обусловлено наследственной патологией.
В 2000 г. определена полная нуклеотидная последовательность генома человека и создан банк информации о секвенировании (определение первичной структуры ДНК) генов человека.
Генетика человека-наука, изучающая закономерности наследования нормальных и патологических признаков человека.
Задачи генетики человека:
1.Ранняя диагностика наследственных заболеваний путем совершенствования экспресс-методов и пренатальной диагностики.
2.Разработка методов генной терапии наследственных заболеваний на основе генной и клеточной инженерии.
3.Широкое внедрение в медицинскую практику медико- генетического консультирования.
4.Выявление генетически опасных факторов внешней среды и разработка методов их нейтрализации.
I. Человек - сложный объект генетических исследований.
Трудности изучения человека как генетического объекта:
1.Невозможность применения гибридологического метода.
2.Большое число хромосом (46 в 2п наборе): примерно 30 -60 тыс. генов.
3.Позднее половое созревание (11-16 лет).
4.Малое количество потомков в большинстве семей.
5.Редкая смена поколений.
6.Нельзя создать одинаковые условия жизни для всех людей в изу-
чаемой группе.
Преимущества человека как генетического объекта:
1.Большое количество особей в популяциях людей.
2.Социальный характер человека.
3.Человек лучше других объектов изучен клинически.
4.Существует большое число методов, позволяющих компенсиро-
вать вышеприведенные трудности изучения.
Фактически вплоть до начала 20 века гипотезы о механизмах наследственности имели умозрительный характер. Первые идеи о механизмах наследственности высказывали древние греки уже к V веку до н.э., в первую очередь Гиппократ. По его мнению, половые задатки (т.е. в нашем понимании яйцеклетки и сперматозоиды), участвующие в оплодотворении, формируются при участии всех частей организма, в результате чего признаки родителей непосредственно передаются потомкам, причем здоровые органы поставляют здоровый репродуктивный материал, а нездоровые – нездоровый. Это теория прямого наследования признаков. Аристотель (IV в до н.э.) высказывал несколько иную точку зрения: он полагал, что половые задатки, участвующие в оплодотворении, производятся не напрямую из соответствующих органов, а из питательных веществ, необходимых для этих органов. Это теория непрямого наследования. Много лет спустя, на рубеже 18-19 веков, автор теории эволюции Ж.-Б. Ламарк использовал представления Гиппократа для построения своей теории передачи потомству новых признаков, приобретенных в течение жизни. Теория пангенезиса, выдвинутая Ч. Дарвином в 1868 году также базируется на идее Гиппократа. По мнению Дарвина, от всех клеток организма отделяются мельчайшие частицы - "геммулы", которые, циркулируя с током крови по сосудистой системе организма, достигают половых клеток. Затем, после слияния этих клеток, в ходе развития организма следующего поколения геммулы превращаются в клетки того типа, из которого произошли, со всеми особенностями, приобретенными в течение жизни родителей. Отражением представлений о передаче наследственности через "кровь" является существование во многих языках выражений: "голубая кровь", "аристократическая кровь", "полукровка" и т.д. В 1871 году английский врач Ф. Гальтон (F. Galton), двоюродный брат Ч. Дарвина опроверг своего великого родственника. Он переливал кровь черных кроликов белым, а затем скрещивал белых между собой. В трех поколениях он "не нашел ни малейшего следа какого-либо нарушения чистоты серебристо белой породы". Эти данные показали, что по крайней мере в крови кроликов геммулы отсутствуют. В 80-е годы 19-го века с теорией пангенезиса не согласился Август Вейсман (A. Weismann). Он предложил свою гипотезу, согласно которой в организме существуют два типа клеток: соматические и особая наследственная субстанция, названная им "зародышевой плазмой", которая в полном объеме присутствует только в половых клетках. Современная генетика – наука о наследственности и изменчивости организмов - в настоящее время проходит качественно новый этап своего развития, связанный с изучением молекулярных основ строения и функционирования генов и геномов, проблем генетической инженерии и ее использования в медицине, биологической промышленности, сельском хозяйстве и других направлениях науки и практики.
В развитии генетики можно выделить 3 этапа:
1 Этап (с 1900 по 1925 г.) – этап классической генетики. В этот период были открыты и подтверждены на многих видах растений и животных законы Г.Менделя, создана хромосомная теория наследственности (Т.Г.Морган). Важнейшим событием в генетике XIX в. было формулирование Менделем его законов. Мендель рассматривал не наследуемость всех признаков организма сразу, а выделял наследуемость единичных, отдельных признаков, абстрагируя эти признаки от остальных. При этом он применял вариационно-статистический метод, демонстрируя возможности математического моделирования в биологии. Открытие Менделем закономерностей расщепления признаков показало, что возникающие у организмов рецессивные мутации не исчезают, а сохраняются в популяции в гетерозиготном состоянии. Этим были разрушены старые натурфилософские концепции о слитном, непрерывном характере наследственности, при котором она рассматривалась как некое континуальное образование (наподобие некой жидкости).
Открытие Менделя опередило свое время. Новаторское значение открытых им законов наследственности не было оценено современниками: в сознании биологов еще не созрели необходимые предпосылки научного учения о наследственности; они сложились лишь в начале XX в.
Вступление в XX в. ознаменовалось в биологии бурным развитием генетики. Важнейшим исходным событием явилось новое открытие законов Менделя. Далее последовала лавина эмпирических открытий и построение различных теоретических моделей. За относительно короткий срок (20–30 лет) в учении о наследственности был накоплен колоссальный эмпирический и теоретический материал.
2 Этап (с1926 по 1953) – этап широкого развёртывания работ по искусственному мутагенезу (Г.Меллер и др.). в это время было показано сложное строение и дробимость гена, заложены основы биохимической, популяционной и эволюционной генетики, доказано, что молекула ДНК является носителем наследственной информации (О.Эвери), были заложены основы ветеринарной генетики.Тридцатые годы ХХ в. можно смело назвать расцветом теоретической генетики. Уже тогда было доказано существование генов, стало ясно, что они локализованы в хромосомах. В связи с этим следует назвать имена некоторых отечественных ученых, внесших значительный вклад в развитие генетической науки: Н.К. Кольцов, выдающийся организатор отечественной биологической науки, высказавший гипотезу о том, что при делении хромосомы сами себя повторяют в клетках (1928 г.); С.С. Четвериков – создатель эволюционно и популяционной генетики; А.С. Серебровский, выдвинувший идею о линейном строении и делимости генов; С.Н. Давиденков и С.Г. Левит– основатели медицинской генетики и др.
Признанным лидером этой плеяды ученых был Н.И. Вавилов. Во многом благодаря его энергии и таланту отечественная генетика и селекция занимала в то время одно из первых мест в мире, по его инициативе был организован Институт генетики АН СССР, на основе которого в дальнейшем был создан Институт общей генетики имени Н.И. Вавилова.
3 Этап (начинается с 1953 г.) – этап современной генетики, для которого характерны исследования явлений наследственности на молекулярном уровне. Была открыта структура ДНК (Дж. Утсон), расшифрован генетический код (Ф.Крик), химическим путём синтезирован ген (Г. Корана). С середины ХХ в. классическая генетика перестала получать большую часть новой информации о механизмах наследственности. Эту роль в современной науке заняла молекулярная биология и её раздел – молекулярная генетика, науки, имеющие дело с конкретными молекулами ДНК, о существовании которых классическая генетика могла лишь догадываться. В 1953 г. биологом Дж. Уотсоном и физиком Ф. Криком была открыта пространственная структура основного вещества наследственности – ДНК.
Вклад отечественных учёных в развитии генетики.
В 1917 году по инициативе Н.К. Кольцова был организован Институт экспериментальной биологии, в котором были начаты иследования по генетике. Вокруг Кольцова сплотились ученые, со временем ставшие крупнейшими генетиками и цитологами: С.С. Четвериков, А.С. Серебровский, М.М. Завадовский, Г.И. Роскин, П.И. Живаго, С.Л. Фролова, С.Н. Скадовский, Г.В. Эпштейн. Созданию школы Н.К. Кольцова во многом способствовало то, что он был профессором Московского университета, и это позволило ему широко привлечь в науку талантливую молодежь. Н.К. Кольцов также заведовал генетическим отделом Комиссии по изучению естественных производительных сил (КЕПС) Академии наук. Деятельность этого отдела была связана со многими работами по генетике сельскохозяйственных животных. Кольцов и его сотрудники - А.С.Серебровский, Б.Н. Васин, Я.Л.Глембоцкий впервые в СССР начали систематические работы по генетике животных. С 1924 года С.С. Четвериков начал читать в МГУ самостоятельный курс генетики. Исключительно важное значение для последующего развития генетики имела работа С.С. Четверикова "О некоторых моментах эволюционного процесса с точки зрения современной генетики" (1926). В плане разработки высказанной концепции под руководством С.С. Четверикова был проведен цикл работ по экспериментальной проверке насыщенности мутациями природных популяций дрозофилы. В этой работе приняли участие Б.Л. Астауров, Н.К. Беляев, С.М. Гершензон, П.Ф. Рокицкий, Д.Д. Ромашов. Используя рентгеновские лучи для индукции мутаций, были проведены исследования ступенчатого аллелизма гена scute (Н.П. Дубинин, А.С. Серебровский, И.И. Агол, С.Г. Левит, Б.Н. Сидоров, Л.В. Ферри, А.Е. Гайсинович, Н.И. Шапиро). В 1932 г. в Институте Н.К. Кольцова была организована лаборатория цитогенетики. Здесь были проведены исследования только что открытого феномена - эффекта положения гена (в современной литературе этот феномен позднее получил название "эффекта Дубинина"). В работах приняли участие выдающиеся генетики Б.Н. Сидоров и В.В. Хвостова. Проведены ювелирные эксперименты по направленному изменению числа и структуры хромосом (Н.П. Дубинин, Н.Н. Соколов, И.Е. Трофимов, Б.Ф. Кожевников), в частности, удалось превратить четыреххромосомный вид дрозофил в трех- и пятихромосомную расу. Были обоснованы принципы хромосомной изменчивости в популяциях (Н.П. Дубинин, Н.Н. Соколов, Г.Г. Тиняков). В 1932 году в Москве был создан Медико-генетический институт, которым в течение ряда лет руководил С.Г. Левит. Трудами самого Левита, а также С.Н. Ардашникова, Р.П. Мартыновой и др. были заложены основы важнейших направлений медицинской генетики. Кафедрой генетики в МГУ с 1930 по 1946 гг. руководил А.С. Серебровский. На кафедре работали СИ. Алиханян, Р.Б. Хесин-Лурье, Н.И. Шапиро.
Особое место в развитии российской генетики занимает первая в России кафедра генетики Санкт-Петербургского (Ленинградского) университета.
"13 сентября 1913 года ректор Санкт-Петербургского университета проф. Э.Д. Гримм официально объявил студентам, профессорам и преподавателям естественного отделения, что в среду 18 сентября от 2 до 3 ч пополудни приват-доцент Юрий Александрович Филипченко прочтет вступительную лекцию к впервые введенному в университете России курсу "Учение о наследственности и эволюции". Так начиналась генетика в России. Вскоре Филипченко издает первые учебники "Изменчивость и эволюция" (1915) и "Наследственность" (1917), а в 1919 году он основал кафедру генетики, которой руководил до конца жизни. История кафедры с 1931 по 1942 год связана с именами выдающихся генетиков: Н.И. Вавилова, Г.Д.Карпеченко, Г.А.Левитского, Л.И.Говорова, погибших в результате репрессий 30-х годов. Среди довоенных выпускников и сотрудников кафедры можно назвать огромный список блестящих имен: Ф.Г. Добжанский, А.А.Прокофьева-Бельговская, Н.Н. Медведев, Ю.Я. Керкис, Н.Н.Колесник, М.Л. Бельговский, М.Е. Лобашев, Ю.Л. Горощенко, Т.К. Лепин, Я.Я. Лус, А.И.Зуйтин, И.А. Рапопорт, Р.Л. Берг, Ф.А. Смирнов. Новый этап в развитии кафедры, а вместе с ней и генетики в СССР начался в 1957 году и связан с именем нового заведующего – Михаила Ефимовича Лобашева (1907-1971). Он издал учебник (1963, 1967) и начал подготовку нового поколения генетиков. Из выпускников кафедры выросли многие доктора наук и профессора, имеющие огромную международную известность: И.А. Захаров, А.Л. Юдин, И.М. Суриков, Н.Ф. Батыгин, К.В. Квитко, С.Г. Инге-Вечтомов, Е.С. Беляева, Л.З. Кайданов, В.Г. Смирнов, Л.А. Чубарева и другие.
Нобелевские лауреаты в области генетики
1933 г. — Томасу Ханту Моргану за открытие функций хромосом как носителей наследственности.
1946 г. — Герману Дж. Меллеру за открытие возникновения мутаций под воздействием рентгеновских лучей.
1957 г. — Александеру Тодду за работы по нуклеотидам и нуклеотидным коферментам.
1958 г. — Джорджу Бидлу и Эдуарду Тейтему за открытие способности генов регулировать определенные химические процессы, и другую половину — Джошуа Ледербергу за открытия, касающиеся генетической рекомбинации у бактерий и структуры их генетического аппарата.
1959 г. — Северо Очоа и Артуру Корнбергу за исследование механизма биологического синтеза рибонуклеиновой и дезоксирибонуклеиновой кислот.
1962 г. — Фрэнсису Крику, Джеймсу Уотсону и Морису Уилкинсу за установление молекулярной структуры нуклеиновых кислот и ее роли в передаче информации в живой материи.
1965 г. — Андре Мишелю Львову, Франсуа Жакобу и Жаку Люсьену Мано за открытие генетической регуляции синтеза ферментов и вирусов.
1968 г. — Роберту Холли, Хару Гобинду Коране и Маршаллу Ниренбергу за расшифровку генетического кода и его функции в синтезе белков.
1969 г. — Максу Дельбрюку, Альфреду Херши и Сальвадору Лурие за открытие цикла репродукции вирусов и развитие генетики бактерий и вирусов.
1975 г. — Ренато Дульбекко за исследование механизма действия онкогенных вирусов, Хоуарду Мартину Темину и Дейвиду Балтимору за открытие обратной транскриптазы.
1978 г. — Даниэлю Натансу, Гамильтону Смиту и Вернеру Арберу за открытие ферментов рестрикции и работу по использованию этих ферментов в молекулярной генетике.
1980 г. — Баруху Бенацеррафу, Жану Доссе и Джорджу Снеллу за их открытие генетически детерминированных структур поверхностей клеток, регулирующих иммунологические реакции.
1980 г. — Полу Бергу за фундаментальные исследования в области биохимии нуклеиновых кислот, в частности рекомбинантной ДНК, и вторую половину — Уолтеру Гилберту и Фредэрику Сенгеру за признание успехов, достигнутых в области генной инженерии и молекулярной генетики.
1983 г. — Барбаре Макклинток за открытие подвижных элементов генома.
1989 г. — Дж. Майклу Бишопу и Гарольду Э.Вармусу за открытие природы онкогенов.
1987 г. — Судзуми Тонегава за открытие генетического принципа для генерации разновидности антител.
1993 г. — Ричарду Робертсу и Филлипу Шарпу за открытие, независимо друг от друга, прерывистой структуры гена.
1995 г. — Эдварду Льюису, Кристиане Нюсляйн-Фольхард и Эрику Вишаусу за открытия, касающиеся генетического контроля на ранних стадиях эмбрионального развития.
2001 г. — Леланду Хартвеллу, Тимоти Ханту и Полу Нерсу за открытие ключевых регуляторов клеточного цикла.
2002 г. — Сиднею Бреннеру, Роберту Хорвицу и Джону Салстону за открытия в области генетического регулирования развития человеческих органов.
2006 г. — Эндрю Файеру и Крейгу Мелло за открытие РНК-интерференции — эффекта гашения активности определённых генов.
2007 г. — Марио Капекки, Мартину Эвансу и Оливеру Смитису за открытие принципов введения специфических генных модификаций у мышей с использованием эмбриональных стволовых клеток.
2009 г. — Элизабет Блэкбёрн, Кэрол Грейдер и Джеку Шостаку за открытие механизмов защиты хромосом теломерами и фермента теломеразы.
2010 г. — Роберту Эдвардсу за технологию искусственного оплодотворения in vitro.