Генная инженерия. Программа «геном человека». Алгоритм генной инженерии. Понятие о генетических векторах. Генная терапия.

⇐ ПредыдущаяСтр 9 из 17Следующая ⇒

Генная инженерия – область молекулярной биологии и генетики, главной задачей которых является создание организмов с новой генетической программой.

Геном человека- международный проект, начатый в 1988 г.

Основная цель проекта – выяснить последовательность нуклеотидных оснований во всех молекулах ДНК человека и установить локализацию, т.е. полностью картировать все гены человека.

К 1998 г. установлены последовательности нуклеотидов в 30 261 гене человека, т.е. расшифрована примерно половина генетической информация человека.

Вектор (в генетике) — молекула нуклеиновой кислоты, чаще всего ДНК, используемая в генетической инженерии для передачи генетического материала другой клетке.

Генная терапия — это введение нуклеиновых кислот в ткань для предотвращения, подавления или обратного развития патологического процесса.

Цели и задачи программы «Геном человека». Тканевая и генная инженерия. Стволовые клетки и проблема клонирования особей и тканей. Принципы методики.

Геном человека- международный проект, начатый в 1988 г.

Задачи: определить последовательность нуклеотидов ДНК всего генома человека.

Тканевая инженерия — создание новых тканей и органов для терапевтической реконструкции поврежденного органа.

Стволовая клетка – это незрелая клетка, способная к самообновлению и развитию в специализированные клетки организма.

Стволовы́ е кле́ тки — недифференцированные, незрелые клетки, имеются у многих видом многоклеточных животных, способны самообновляться, делиться митозом и дифференцироваться в специализированные клетки, т.е. превращаться в клетки различных органов и тканей.

Использование молекулярной биологии в медицинских целях. Генная терапия. Ее методы. Проблемы биотехнологии в медицине и промышленности.

Молекулярная биология и генная инженерия открыли принципиально новые перспективы в изучении и лечении наследственных заболеваний человека.

Формы изменчивости: модификационная, комбинативная, мутационная и их значение в онтогенезе и эволюции.

Изменчивость – способность организмов в процессе онтогенеза приобретать новые признаки и качества.

Модификационная изменчивость – изменение фенотипа под действием изменения среды, происходящие в пределах нормы реакции. Норма реакции – предел изменчивости признака, обусловленный генотипом.

Комбинативная изменчивость – появление новых комбинаций генов и признаков. Источник – половай процесс, случайные комбинации негомологичных хромосом, кроссинговер.

Мутационная изменчивость – изменение генетического аппарата.

Типы мутаций:

1) Генные – изменения нуклеотида в молекуле ДНК, приводящие к образованию аномального гена – признака (гемофилия, серповидно-клеточная анемия)

2) Хромосомные – изменения структуры хромосомы:

-Делеция – потеря участка хромосомы

-Транслокация – перенос участка хромосомы на другую

-Инверсия – поворот участка хромосомы на 180

-Дубликация – удвоение генов в определенном участке хром-ы

3) Геномные – изменение числа хромосом:

-Полиплоидия – кратное увеличение гаплоидного набора

-Анеуплоидия – изменение хромосомного набора на 1, 2 хромосомы. У человека встречается 47 хромосом (ХХХ, ХХУ) или в 21 паре – синдром Дауна

Изменчивость- материал для эволюции. Большее видовое разнообразие.

Модификационная изменчивость. Норма реакции генетически детерминированных признаков. Фенокопии. Адаптивный характер модификаций. Взаимодействие среды и генотипа в проявлении признаков человека.

Изменчивость – способность организмов в процессе онтогенеза приобретать новые признаки и качества.

Модификационная изменчивость – изменение фенотипа под действием изменения среды, происходящие в пределах нормы реакции.

Норма реакции – предел изменчивости признака, обусловленный генотипом.

Фенокопия - ненаследственное изменение фенотипа организма, вызванное действием определённых условий среды, при этом копируются признаки, характерные для другого генотипа. (модификации, напоминающие проявление известных генов).

Адаптивность модификаций. В подавляющем большинстве случаев модификация представляет собой полезную, приспособительную реакцию организма на тот или иной внешний фактор. Это можно видеть на примере почти всех перечисленных выше и множестве других модификаций микробов, растений, животных и человека.

Не имеют приспособительного значения (а нередко представляют даже настоящие уродства) модификации, вызываемые физическими и химическими факторами, с которыми организм не сталкивается в природе или которые применяются в эксперименте с интенсивностью, превосходящей встречающуюся в естественных условиях. Индуцированные таким образом модификации часто называют морфозами. Некоторые из этих морфозов очень похожи на изменения, вызываемые мутациями известных генов. Такие модификации, напоминающие проявление известных генов получили название фенокопий.

Формирование различных типов изменчивости является следствием взаимодействия внешней среды, генотипа и фенотипа.
Анализируя изменчивость любого организма, можно убедиться в том, что многие различия между особями находятся в зависимости от условий окружающей среды. При идентичном генотипе две особи могут быть фенотипически несхожими, если развивались в разных условиях среды. Такие фенотипические различия, вызываемые внешними факторами, называются модификационными.
Выяснить соотносительную роль и характер взаимодействия генотипа и среды в становлении фенотипа особи можно только исследовав модификации, возникающие под воздействием различных факторов среды. Знание характера модификаций и причин, их вызывающих, необходимо для понимания закономерностей эвоюции, т.к. естественный отбор оперирует как с мутациями, их комбинациями, так и с модификациями. Модификации имеют большое значение в понимании медицинских аспектов воспитания здорового гармонически развитого человека.

Комбинативная изменчивость. Значение комбинативной изменчивости в генетическом разнообразии людей. Проявление уникальности и универсальности биологического в человеке. Понятие о «снипсах» и генетическом полиморфизме.

Благодаря комбинативной изменчивости обеспечивается большое разнообразие наследственных признаков у человека.

На проявление комбинативной изменчивости у человека оказывает влияние система скрещивания или система браков: инбридинг и аутбридинг.

Инбридинг – родственный брак. Он может быть в разной мере тесным, что зависит от степени родства вступающих в брак.

Аутбридинг – неродственный брак. Неродственными особями считаются особи, у которых нет общих предков в 4-6 поколениях.

Аутбридинг повышает гетерозиготность потомков, объединяет в гибридах аллели, которые существовали у родителей порознь. Вредные рецессивные гены, находившие у родителей в гомозиготном состоянии, подавляются у гетерозиготных по ним потомков. Возрастает комбинация всех генов в геноме гибридов и соответственно широко будет проявляться комбинативная изменчивость.

Полиморфизм – существование в единой панмиксной популяции двух и более резко различающихся фенотипов. Они могут быть нормальными или аномальными. Полиморфизм – явление внутрипопуляционное.

Генетический полиморфизм наблюдается, когда ген представлен более чем одним аллелем. Пример – системы групп крови.

Генетический полиморфизм - сосуществование в пределах популяции двух или нескольких различных наследственных форм, находящихся в динамическом равновесии в течение нескольких и даже многих поколений.

Мутационная изменчивость. Классификация мутаций. Мутации в половых и соматических клетках. Понятие о хромосомных и генных болезнях. Примеры.

Мутационная изменчивость – изменение генетического аппарата.

Типы мутаций:

2) Хромосомные – изменения структуры хромосомы:

-Делеция – потеря участка хромосомы

-Транслокация – перенос участка хромосомы на другую

-Инверсия – поворот участка хромосомы на 180

-Дубликация – удвоение генов в определенном участке хром-ы

3) Геномные – изменение числа хромосом:

-Полиплоидия – кратное увеличение гаплоидного набора

Мутации в половых клетках сохраняются и передаются следующему поколению при половом процессе, чего нет у соматических клеток.

Геномные заболевания:

Синдром Клайнфельтера, наблюдается у лиц с мужским фенотипом. Кариотип 47 (ХХУ). Телосложение по женскому типу, недоразвитие семенников, отсутствие сперматогенеза.

Синдром Шерешевского-Тернера, кариотип 45 (Х0), фенотип женский, недоразвитие яичников.

Трисомия-21 (синдром Дауна), трисомия по 21 хромосоме. Кариотип 47 (21+)

Спонтанные и индуцированные мутации. Мутагены. Классификация мутаций по механизмам происхождения. Мутагенез и канцерогенез. Генетическая опасность загрязнения окружающей среды. Меры защиты. Роль репарации ДНК, апоптоза и иммунной системы в поддержании генетического гомеостаза.

Спонтанные мутации возникают в естественных условиях без специального воздействия необычными агентами. Мутационный процесс характеризуется, главным образом, частотой возникновения мутаций. Определенная частота возникновения мутаций характерна для каждого вида организмов. Одни виды обладают более высокой мутационной изменчивостью, чем другие.

Индуцированный мутационный процесс - возникновение наследственных изменений под влиянием специального воздействия факторов внешней и внутренней среды. Все факторы мутагенеза могут быть разбиты на три вида: физические, химические и биологические.

Мутагены — химические и физические факторы, вызывающие наследственные изменения — мутации.

N п/п	Классифицирующий фактор	Название мутаций
I	По мутировавшим клеткам	1. Генеративные 2. Соматические
II	По характеру изменения генотипа	1. Генные (точковые) 2. Хромосомные перестройки (дефишенсы, делеции, дупликации и инверсии) 3. Межхромосомные перестройки (транслокации) 4. Геномные мутации (полиплоидия, анеуплоидия) 5. Цитоплазматические мутации
III	По адаптивному значению	1. Полезные 2. Вредные (полулетальные, летальные) 3. Нейтральные
IY	По причине, вызвавшей мутацию	1. Спонтанные 2. Индуцированные

Первостепенная роль принадлежит генеративным мутациям , возникающим в половых клетках. Генеративные мутации, вызывающие изменение признаков и свойств организма, могут быть обнаружены, если гамета, несущая мутантный ген, участвует в образовании зиготы. Если мутация доминантна, то новый признак или свойство проявляются даже у гетерозиготной особи, происшедшей из этой гаметы. Если мутация рецессивная, то она может проявиться только через несколько поколений при переходе в гомозиготное состояние. Примером генеративной доминантной мутации у человека может служить появление пузырчатости кожи стоп, катаракты глаза, брахифалангии (короткопалость с недостаточностью фаланг). Примером спонтанной рецессивной генеративной мутации у человека можно рассматривать гемофилию в отдельных семьях.

Соматические мутации по своей природе ничем не отличаются от генеративных, но их эволюционная ценность различна и определяется типом размножения организма. Соматические мутации играют роль у организмов с бесполым размножением. Так, у вегетативно размножающихся плодовых и ягодных растений соматическая мутация может дать растения с новым мутантным признаком. Наследование соматических мутаций в настоящее время приобретает важное значение для изучения причин возникновения рака у человека. Предполагают, что для злокачественных опухолей превращение нормальной клетки в раковую происходит по типу соматических мутаций.

Генные или точковые мутации - это цитологически невидимые изменения хромосом. Генные мутации могут быть как доминантными, так и рецессивными. Молекулярные механизмы генных мутаций проявляются в изменении порядка нуклеотидных пар в молекуле нуклеиновой кислоты в отдельных сайтах. Сущность локальных внутригенных изменений может быть сведена к четырем типам нуклеотидных перестроек:

1. Замена пары оснований в молекуле ДНК:

а) Транзиция: замена пуриновых оснований на пуриновые или пиримидиновых на примидиновые;

б) Трансверзия: замена пуриновых оснований на пиримидиновые.

2. Делеция (выпадение) одной пары или группы оснований в молекуле ДНК;

3. вставка одной пары или группы оснований в молекуле ДНК;

4. Дупликация – повтор нуклеотидной пары;

5. перестановка положения нуклеотидов внутри гена.

Изменения в молекулярной структуре гена ведут к новым формам списывания с него генетической информации, нужной для протекания биохимических процессов в клетке, и приводит к появлению новых свойств в клетке и организме в целом. По-видимому, точковые мутации являются наиболее важными для эволюции.

По влиянию на характер кодируемых полипептидов точковые мутации могут быть представлены в виде трех классов:

1. Миссенс-мутации - возникают при замене нуклеотида внутри кодона и обусловливают подстановку в определенном месте в цепи полипептида одной неверной аминокислоты. Физиологическая роль белка изменяется, что создает поле для естественного отбора. Это основной класс точковых, внутригенных мутаций, которые появляются в естественном мутагенезе под воздействием радиации и химических мутагенов.

2. Нонсенс-мутации - появление внутри гена терминальных кодонов за счет изменения отдельных оснований в пределах кодонов. В результате процесс трансляции обрывается в месте появления терминального кодона. Ген оказывается способным кодировать только обрывки полипептида до места появления терминального кодона.

3. Мутации сдвига рамки чтения возникают при появлении внутри гена вставок и делеций. В этом случае после измененного сайта изменяется все смысловое содержание гена. Это вызывается новой комбинацией нуклеотидов в триплетах, поскольку триплеты после выпадения или вставки приобретают новый состав в силу сдвига на один нуклеотид. В результате вся цепь полипептида после места точковой мутации приобретает другие неверные аминокислоты.

Хромосомные перестройки возникают в результате разрыва участков хромосомы и их перекомбинаций. Различают:

1. Дефишенси и делеции – нехватка, соответственно концевого и срединного участка хромосомы;

2. Дупликации - удвоение или умножение тех или иных участков хромосомы;

3. Инверсии - изменение линейного расположения генов в хромосоме вследствие переворота на 180 отдельных участков хромосомы.

Межхромосомные перестройки связаны с обменом участками между негомологичными хромосомами. Такие перестройки получили название транслокации.

Геномные мутации затрагивают геном клетки и вызывают изменение числа хромосом в геноме. Это может происходить за счет увеличения или уменьшения числа гаплоидных наборов или отдельных хромосом. К геномным мутациям относят полиплоидию и анеуплоидию.

Полиплоидия - геномная мутация, состоящая в увеличении числа хромосом, кратному гаплоидному. Клетки с разным числом гаплоидных наборов хромосом называются: 3n - триплоидами, 4n тетраплоидами и т.д. Полиплоидия приводит к изменению признаков организма: увеличению плодовитости размеров клеток, биомассы. Используется в селекции растений. Полиплоидия известна и у животных, например, у инфузорий, тутового шелкопряда, земноводных.

Анеуплоидия - изменение числа хромосом, некратное гаплоидному набору: 2n + 1; 2n - 1; 2n - 2; 2n +2. У человека такие мутации вызывают патологии: синдром трисомии по Х-хромосоме, трисомия по 21-й хромосоме (болезнь Дауна), моносомия по Х-хромосоме и т.д. Явление анеуплоидии показывает, что нарушение числа хромосом приводит к изменению в строении и снижению жизнеспособности организма.

Цитоплазматические мутации – это изменение плазмогенов, приводящее к изменению признаков и свойств организма. Такие мутации стабильны и передаются из поколения в поколение, например, потеря цитохромоксидазы в митохондриях дрожжей.

По адаптивному значению мутации делят: на полезные, вредные (летальные и полулетальные) и нейтральные. Это деление условно. Между полезными и летальными мутациями существуют почти непрерывные переходы вследствие экспрессивности гена. Примером летальных и сублетальных мутаций у человека можно назвать эпилойю (синдром, характеризующийся разрастанием кожи, умственной отсталостью) и эпилепсию, а также наличие опухолей сердца, почек, врожденный ихтиоз, амавротическую идиотию (отложение в ЦНС жирового вещества, сопровождающееся дегенерацией мозгового вещества, слепотой), талассемию и др.

Мутагенез — внесение изменений в нуклеотидную последовательность ДНК (мутаций).

Канцерогене́ з — сложный патофизиологический процесс зарождения и развития опухоли.

Репарация ДНК - особая функция клеток, заключающаяся в способности исправлять химические повреждения и разрывы в молекулах ДНК, повреждённой при нормальном биосинтезе ДНК в клетке или в результате воздействия физических или химических агентов.

Апоптоз – запрограммированная гибель клеток.

⇐ Предыдущая 4 5 6 7 8910 11 12 13 Следующая ⇒