Генетика человека

Содержание

Введение………………………………………………………………………………………………………..С. 3-4

Особенности генетического аппарата вирусов. ДНК-содержащие и РНК-содержание вирусы……………………………………………………………………………………………………………С. 5-6

Основы гегенетической инженерии…………………………………………………………………С. 6-8

Основные принципы лечения наследственных болезней. Генотерапия…………..С. 8-12

Вывод……………………………………………………………………………………………………………..С. 13

Список использованной литературы…………………………………………………………………С. 14

Введение

Для людей, которые хотя бы немного коснулись биологии в своей жизни, известно, что «вирусы – это неклеточные формы жизни». Вирусы, проникая в наш организм, встраивают свой наследственный материал в наши клетки, и в нашем организме происходят изменения, он уже больше никогда не будет прежним.

Вирусы – это инфекционные агенты. Каждая инфекция представляет собой столкновение генетических программам вируса и его хозяина, и их взаимодействие является основой для продолжающейся эволюции. Детали такого взаимодействия не только обогащают наше понимание биосферы вообще и отношений вируса с хозяином в частности, но также создают возможности для разработки противовирусных препаратов, для использования вирусов в качестве векторов экспрессии и создания живых ослабленных вакцин. Поскольку окружающая среда, в которой вирусы реплицируются и развиваются, определяется в значительной степени их хозяевами, понимание вирусной репликации также освещает биологию хозяина на молекулярном, клеточном, организменном и популяционном уровнях.

Успехи в изучении молекулярных основ наследственных болезней расширили возможности точной диагностики моногенных болезней. Понимание патогенеза наследственных болезней развивается медленнее, в основном из-за того, что прогресс в этой области часто требует знания процессов, охватывающих организм в целом, – а их невозможно изучать в классическом остром эксперименте. Большие надежды возлагаются на развитие неинвазивных методов исследования метаболизма, таких, как позитронно-эмиссионная томография и локальная магнитно-резонансная спектрометрия, а также на новые генетические подходы к получению биологических моделей наследственных болезней человека.

Биотехнология относится к стремительно развивающимся направлениям научно-технического прогресса. Ее основой, фундаментальной частью являются клеточная и молекулярная биология, клеточная и генетическая инженерия, микробиология и биохимия.

Генетическая инженерия представляет собой удивительное явление в науке, когда разработка новой методологии дает мощный импульс развитию нашего понимания окружающей природы, ее сокровенных глубин. Бурному прогрессу генетической инженерии способствовало то, что уже в начале 70-х годов, сразу после первых, еще робких экспериментов по рекомбинации in vitro негомологичных молекул ДНК, научной общественностью была осознана огромная важность и перспективность данной методологии. Это привлекло к ней широкие круги биохимиков, биологов, химиков и исследователей ряда других специальностей. Осуществление генно-инженерных экспериментов в большом числе лабораторий разных стран привело к такому фейерверку открытий, которого биологическая наука до сих пор не знала.

Особенности генетического аппарата вирусов. ДНК-содержащие и РНК-содержание вирусы

Вирусы принципиально отличаются от всех других организмов. Назовем их важнейшие особенности.

Тело не имеет клеточного строения.
Они могут существовать только как внутриклеточные паразиты и не могут размножаться вне клеток тех организмов, в которых они паразитируют.
Содержат лишь один тип нуклеиновых кислот – либо РНК, либо ДНК. У них нет рибосом.
Нет обмена веществ. Используется энергия, получаемая за счет обмена веществ в клетках хозяина. Имеют очень ограниченное число ферментов, используют обмен веществ хозяина, его ферменты, энергию, полученную при обмене веществ в клетках хозяина.

Генетический аппарат вирусов представлен различными формами нуклеиновых кислот, такого разнообразия нет ни у одной из других форм жизни. У всех живых организмов, кроме вирусов, генетический аппарат состоит из двунитевой молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), а рибонуклеиновая кислота (РНК), выполняющая в клетках роль переносчика информации, всегда однонитевая. У вирусов же существуют все возможные варианты устройства генетического аппарата: одно- и двунитевая РНК, одно- и двунитевая ДНК.

К ДНК-содержащим вирусам относятся многие вирусы бактерий – бактериофаги (или просто фаги). Некоторые мелкие фаги (например, фаг М13) при репродукции не разрушают клетку. Репродукция крупных фагов (например, фага Т–4) приводит к гибели клетки. Фаг Т–4 – это один из наиболее сложно организованных вирусов. Белковый капсид включает не менее 130 белков, образующих головку, воротничок, сократимый хвост, базальную пластинку и хвостовые нити. Такое строение капсида позволяет впрыскивать ДНК в бактериальную клетку через толстую оболочку, поэтому подобные вирусы образно называют «живыми шприцами». Т–фаги могут существовать в виде профага длительное время. К ДНК-содержащим вирусам относятся возбудители многих заболеваний человека и животных: вирусы оспы, герпеса, гепатита В, аденовирусы млекопитающих и человека (вызывают желудочно-кишечные заболевания, ОРВИ, конъюнктивиты), вирусы бородавок человека. К ДНК-содержащим вирусам относятся и некоторые вирусы растений (вирус золотистой мозаики фасоли, вирус мозаики цветной капусты). Некоторые вирусы используются в генной инженерии для переноса генов от одних организмов к другим, например, обезьяний вирус SV 40.

Вирионы ДНК-содержащих вирусов содержат ДНК. Объемом ДНК определяется количество белков в вирионе: один полипептид кодируется отрезком ДНК длиной примерно 1 тысяча нуклеотидов (нуклеотидных пар). После проникновения в клетку вирусная ДНК становится матрицей для синтеза ДНК и РНК.

К РНК-содержащим вирусам относятся многие вирусы растений, возбудители заболеваний человека и животных: вирус полиомиелита, вирусы гриппа А, В и С, вирусы паротита (свинки), кори, чумы плотоядных животных (чумки), бешенства, вирус иммунодефицита человека (ВИЧ). В отдельную группу выделяются арбовирусы, которые переносятся членистоногими (клещами, москитами), например, вирусы клещевого энцефалита, желтой лихорадки. Многие РНК-содержащие вирусы вызывают ОРВИ (например, коронавирусы), желудочно-кишечные заболевания (реовирусы птиц, млекопитающих и человека). Некоторые РНК-содержащие вирусы используются в биотехнологии, например, вирусы полиэдроза насекомых.

После проникновения в клетку вирусная РНК становится матрицей для синтеза ДНК и РНК.

Основы гегенетической инженерии

Генетическая инженерия – это новый раздел экспериментальной молекулярной биологии. Появление ее методологии стало возможным благодаря предшествующим работам многих исследователей в различных областях биохимии и молекулярной генетики. К основным достижениям, которые обусловили рождение и успешное развитие генетической инженерии, можно отнести следующие:

Доказательство в 1944 г. Эйвери с соавторами роли дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) как носителя генетической информации и открытие в 1953 г. Уотсоном и Криком структуры ДНК;
Экспериментальное подтверждение универсальности генетического кода;
Интенсивное развитие молекулярной генетики, объектами которой прежде всего стали бактерия Escherihia coli, а также ее вирусы и плазмиды;
Отработка простых методов выделения высокоочищенных препаратов неповрежденных молекул ДНК плазмид и вирусов;
Разработка методов введения в чувствительные клетки молекул ДНК вирусов и плазмид в биологически активной форме, обеспечивающей репликацию молекул ДНК и/или экспрессию кодируемых ими генов;
Открытие ряда ферментов, использующих ДНК в качестве субстрата катализируемых ими реакций. Особую роль в развитии методологии генетической инженерии сыграли такие ферменты, как рестриктазы и ДНК-лигазы.

Суть стратегии генетической инженерии в настоящее время включает следующие аспекты:

В небольшую молекулу ДНК, способную реплицироваться в клетке автономно от хромосомы, (плазмиду или вирусную ДНК) ферментативно встраивают фрагменты молекул ДНК любого изучаемого организма или синтезированные сегменты ДНК;
Образующиеся при этом молекулы, которые будем называть гибридными ДНК, вводят в чувствительные прокариотические или эукариотические клетки, где они реплицируются, размножая в своем составе встроенные фрагменты ДНК;
Определенными методами отбирают клоны клеток или вирусов, содержащих их индивидуальные типы молекул гибридных ДНК;
Выявленные гибридные ДНК подвергают разностороннему структурно-функциональному изучению. Особую роль при этом играют высокоэффективные методы расшифровки последовательности нуклеотидов (секвенирования) фрагментов ДНК.

Главным объектом генно-инженерного воздействия является дезоксирибонуклеиновая кислота.

ДНК является полимером нуклеотидов. Нуклеотид состоит из трех компонентов: пуринового или пиримидинового основания, пятиуглеродного циклического сахара, с которым основание связано одним из своих атомов азота N-гликозидной связью (образуется нуклеозид) , и фосфата, связанного эфирной связью с 5^’-углеродом сахара. В ДНК имеются нуклеотиды четырех типов, различающиеся лишь своими основаниями. К этим основаниям относятся два пурина (Pu) – аденин (А) и гуанин (G) – и два пиримидина (Ру) – тимин (Т) и цитозин (С).

Характерной особенностью ДНК является то, что ее молекула обычно состоит из двух полимерных цепей, закрученных в двойную спираль. Каждая цепь – это регулярный полимер, в котором остатки сахара двух соседних нуклеотидов связаны при помощи фосфатных групп.

Существует несколько отраслей генетической инженерии:

– ферментационные – продукция антибиотиков, витаминов, ферментов, аминокислот и др.; биосинтез и биотрансформация

– иммунобиотехнологии – вакцины, диагностикумы, аллергены, антатела, в том числе моноклональные антитела (гибридологическая технология);

– клеточные технологии – клеточная терапия, оплодотворение in vitro;

– технологии рекомбинантных ДНК – генотерапия, продукты рекомбинантных белков человека;

– нанобиотехнологии, аналитические биотехнологии – биочипы и биосенсоры;

– фармбиотехнологии – биопрепараты на основе лекарственных растений.

Основные принципы лечения наследственных болезней. Генотерапия

Лечение заболеваний с помощью генов получило название генотерапии. Сейчас в мире насчитывается порядка 400 проектов, посвященных лечению с помощью генотеропии. Разработке программы генной терапии предшествуют тщательный анализ тканеспецифической экспрессии соответствующего гена, идентификация первичного биохимического дефекта, исследование структуры, функции и внутриклеточного распределения его белкового продукта, а также биохимический анализ патологического процесса. Все эти данные учитываются при составлении соответствующего медицинского протокола.

Апробацию процедуры генокоррекции наследственного заболевания проводят на первичных культурах клеток больного, в которых в норме функционально активен данный ген. На этих клеточных моделях оценивают эффективность выбранной системы переноса экзогенной ДНК, определяют экспрессию вводимой генетической конструкции, анализируют ее взаимодействие с геномом клетки, отрабатывают способы коррекции на биохимическом уровне. Используя культуры клеток, можно разработать систему адресной доставки рекомбинантных ДНК, однако проверка надежности работы этой системы может быть осуществлена только на уровне целого организма. Поэтому такое внимание в программах по генной терапии уделяется экспериментам in vivo на естественных или искусственно полученных моделях соответствующих наследственных болезней у животных.

Успешная коррекция генетических дефектов у таких животных и отсутствие нежелательных побочных эффектов генной терапии являются важнейшей предпосылкой для разрешения клинических испытаний. Таким образом, стандартная схема генокоррекции наследственного дефекта включает серию последовательных этапов. Она начинается созданием полноценно работающей (экспрессирующейся) генетической конструкции, содержащей смысловую (кодирующую белок) и регуляторную части гена. На следующем этапе решается проблема вектора, обеспечивающего эффективную, а по возможности и адресную доставку гена в клетки-мишени. Затем проводится трансфекция (перенос полученной конструкции) в клетки-мишени, оценивается эффективность трансфекции, степень коррегируемости первичного биохимического дефекта в условиях клеточных культур (in vitro) и, что особенно важно, in vivo на животных – биологических моделях. Только после этого можно приступать к программе клинических испытаний.

Существует два типа генотерапии: заместительная и корректирующая.

Заместительная генотерапия заключается во вводе в клетку неповрежденного гена. Внесенная копия заменит по функциям сохранившийся в геноме больного дефектный ген. Все проводимые сегодня клинические испытания используют внесение в клетку дополнительных количеств ДНК.

При корректирующей терапии предполагается замена дефектного гена нормальным в результате рекомбинации. Пока этот метод на стадии лабораторных испытаний, так как эффективность его еще очень низка.

В зависимости от способа введения экзогенных ДНК в геном пациента генная терапия может проводиться либо в культуре клеток (ex vivo), либо непосредственно в организме (in vivo). Клеточная генная терапия или терапия ex vivo предполагает выделение и культивирование специфических типов клеток пациента, введение в них чужеродных генов, отбор трансфецированных клеток и реинфузию их тому же пациенту.

Примером может служить лечение комбинированного иммунодефииицита. Комбинированный иммунодефицит может быть результатом дефекта гена аденозиндезаминазы. Впервые попытка лечения такого больного методами генотерапии была предпринята в США в 1990 г. У больного ребенка извлекли Т-лимфоциты, трансформировали ретровирусным вектором, введя нормальный ген аденозиндезаминазы и вернули клетки в организм. Введение приходится повторять. Более эффективна аналогичная трансформация стволовых клеток костного мозга.

Генная терапия in vivo основана на прямом введении клонированных и определенным образом упакованных последовательностей ДНК в специфические ткани больного. В настоящее время не существует общедоступного метода культивирования клеток легких, поэтому при легочных заболеваниях единственный способ доставить чужеродный ген – это ввести его прямо в организм. Муковисцидоз – весьма распространенное среди людей белой расы тяжелое наследственное заболевание легких, которое поражает, например, в семьях из Центральной Европы одного новорожденного из 2500 и для которого установлен дефектный ген, кодирующий белок-регулятор трансмембранной проводимости. Основное проявление дефектного гена – пневмония. Поражаются все эпителиальные клетки. Основная проблема – как доставить ген в клетки, покрытые слизью, которая препятствует трансформации. Неповрежденную копию “гена заболевания”, включенную в аденовирусный вектор или липосому, вводят в форме аэрозоля в дыхательные пути больного.

Для коррекции нарушения при прогрессирующей мышечной дистрофии Дюшенна (заболевании мальчиков, связанном с дефектами Х-хромосомы) нормальный ген, кодирующий белок дистрофии, пытались прямо вкалывать в мышечные волокна, используя либо “голую” ДНК, либо аденовирусный вектор. Другие исследователи трансплантировали больному миобласты после генетической коррекции. Ранее неподвижный ребенок приобретал способность двигаться! К сожалению, во всех этих опытах удается получить только временный терапевтический эффект, и процедура введения гена должна неоднократно повторяться.

Список наследственных заболеваний, которые пытаются или планируют лечить генами, велик. Это и ревматоидный артрит, и фенилкетонурия, и заболевания, связанные с недостатком гормонов (инсулина, эритропоэтина, гормона роста). В случае хронической анемии, связанной с дефицитом эритропоэтина, на основании опытов на животных предлагается принципиально новый подход к лечению. Так как каждая из наших клеток содержит один и тот же геном, можно заставить фибробласты кожи, которые в норме не производят эритропоэтина, синтезировать этот гормон. Для этого нужно ввести в геном новую контролирующую область и тем самым снять запрет со считывания (экспрессии) гена эритропоэтина, присутствующего, но “молчащего” в фибробластах.

Практически в любой области медицины либо начаты клинические испытания лечения наследственных заболеваний с помощью генотерапии, либо в опытах на животных разрабатываются подходы к такому лечению. По мере усовершенствования методов доставки генов и контроля их экспрессии список заболеваний, к которым можно применять генотерапию, будет безусловно расширяться.

Генотерапия применима не только к наследственным заболеваниям. Предстоит решить проблему лечения генами “чумы XX века” — синдрома приобретенного иммунодефицита (СПИД), возникающего при заражении вирусом иммунодефицита человека (ВИЧ). ВИЧ представляет собой ретровирус, поражающий Т-лимфоциты и макрофаги. Болезнь удалось бы победить, если бы были найдены новые гены, введение которых в зараженные ВИЧ лимфоциты останавливало бы дальнейшее размножение вируса. Предложено множество хитроумных способов борьбы со СПИДом с помощью привнесенных генов. Все они основаны на новейших данных о строении и функционировании генома ретровируса. Например, вводя прямо в мышцы больного ретровирусные векторы, несущие отдельные гены ВИЧ, ученые рассчитывали на то, что гены ВИЧ после внедрения в ДНК хромосом хозяина смогут дать информацию для синтеза вирусных белков и произойдет “противоСПИДная” иммунизация больного этими белками. Однако еще не получено ощутимых результатов, которые сулили бы успех в борьбе с вирусом дикого типа, коварство которого заключается в его изменчивости.

Огромные перспективы открывает использование генотерапии для лечения онкологических заболеваний. Многолетние усилия ученых привели к пониманию того, что рак — это генетическое заболевание и его развитие происходит многостадийно, в результате серии генетических нарушений, накапливающихся в клетке. Следовательно, каждый из таких отдельных генетических эффектов может стать точкой приложения генотерапевтического подхода.

Вывод

Существует большая группа живых существ, не имеющих клеточного строения и ведущая паразитический образ жизни – вирусы. В переводе с латинского «вирус» означает «яд». Вирусы нельзя отнести ни к растениям , ни к животным. Они исключительно малы, поэтому могут быть изучены с помощью электронного микроскопа. Они способны жить и размножаться только в клетках других организмов. Вне клеток животных и растений вирусы жить не могут. К числу вирусных опасных заболеваний человека относят, например, корь, грипп, полиомиелит, оспа, ВИЧ.

Генетический материал вирусов предназначен для размножения этих микроорганизмов. Представлен разнообразными видами РНК и ДНК структур, обеспечивая им высокую жизнеспособность и приспособленность к существованию.

Генетическая инженерия, безусловно, повлияла на различные аспекты жизни человечества, без которых сегодняшняя наша жизнь уже не представляется возможной, а продукты, полученные путем разработок в этой области, являют собой нечто, само собой разумеющееся. Но у каждой медали, как известно, две стороны и поэтому будет разумно привести и отрицательный пример влияния генетической инженерии. По моему мнению, все, что не является для организма естественным и воспринимается как чужеродный субстрат, в той или иной степени влияет на здоровье человека далеко не положительным образом. Я хочу подчеркнуть, что есть немало научно доказанных случаев, в которых описывается то, каким образом генно-модифицированные продукты влияют на наследственность человека. Генетика все более входит в повседневную жизнь людей, во многом определяя будущее человечества. Все более интенсивно проводятся исследования генома человека.

В любом случае, развитие генетики, дало больше преимущества сегодняшнему человечеству. Через несколько лет, возможно, что некоторые диагнозы, которые заставляют содрогнуться, перестанут быть такими пугающими и устрашающими.