Последнии достижения в области генетики
Введение.
Если век XIX по праву вошел в историю мировой цивилизации как Век Физики, то стремительно завершающемуся веку XX-му, в котором нам счастливилось жить, по всей вероятности, уготовано место Века Биологии, а может быть, и Века Генетики.
Действительно, за неполных 100 лет после вторичного открытия законов Г. Менделя генетика прошла триумфальный путь от натурфилософского понимания законов наследственности и изменчивости через экспериментальное накопление фактов формальной генетики к молекулярно-биологическому пониманию сущности гена, его структуры и функции. От теоретических построений о гене как абстрактной единице наследственности - к пониманию его материальной природы как фрагмента молекулы ДНК, кодирующего аминокислотную структуру белка, до клонирования индивидуальных генов, создания подробных генетических карт человека, животных, идентификации генов, мутации которых сопряжены с тяжелыми наследственными недугами, разработки методов биотехнологии и генной инженерии, позволяющих направленно получать организмы с заданными наследственными признаками, а также проводить направленную коррекцию мутантных генов человека, т.е. генотерапию наследственных заболеваний. Молекулярная генетика значительно углубила наши представления о сущности жизни, эволюции живой природы, структурно-функциональных механизмов регуляции индивидуального развития. Благодаря ее успехам начато решение глобальных проблем человечества, связанных с охраной его генофонда.
Середина и вторая половина XX столетия ознаменовались значительным уменьшением частоты и даже полной ликвидацией ряда инфекционных заболеваний, снижением младенческой смертности, увеличением средней продолжительности жизни. В развитых странах мира центр внимания служб здравоохранения был перемещен на борьбу с хронической патологией человека, болезнями сердечно-сосудистой системы, онкологическими заболеваниями.
Стало очевидным, что прогресс в области медицинской науки и практики тесно
-3-
связан с развитием общей и медицинской генетики, биотехнологии. Потрясающие достижения генетики позволили выйти на молекулярный уровень познания генетических структур организма, и наследования, вскрыть сущность многих серьезных болезней человека, вплотную подойти к генной терапии.
Получила развитие клиническая генетика – одно из важнейших направлений современной медицины, приобретающих реальное профилактическое значение. Выяснилось, что множество хронических болезней человека есть проявление генетического груза, риск их развития может быть предсказан задолго до рождения ребенка на свет, и уже появились практические возможности снизить давление этого груза.
Генетический груз включает, с одной стороны, патологические генные мутации, наследуемые от родителей и прародителей, и называемые серегационным грузом, если в виде болезни проявляются рецессивные или нелетальные доминантные мутации генов (от латинского segregatio – выщепление).
С другой стороны, определенную часть этого груза составляют новые, вновь возникшие генные мутации (в результате мутагенных влияний внешней среды). Они не прослеживаются в восходящих поколениях и составляют так называемый мутационный генетический груз.
Геном человека.
В феврале 2001 года два наиболее авторитетных научных журнала в мире "Nature" и "Science" опубликовали отчеты двух научных групп, расшифровавших геном человека. В журнале "Nature" от 12 февраля 2001 года приведены подробные данные о структуре генома человека, полученные международным консорциумом под руководством Френсиса Коллинза, в котором работали ученые Англии, Германии, Китая, США, Франции и Японии в рамках международной программы "Геном человека" с привлечением государственного финансирования. Эта группа выделила в ДНК особые маркеры, легко распознаваемые участки, и по ним определила нуклеотидные последовательности генома человека.
-4-
В журнале "Science" от 16 февраля 2001 года ученые частной фирмы "Celera Genomics" под руководством Крэга Вентера опубликовали результаты расшифровки генома человека, полученные с применением другой стратегии исследований, в основе которой лежит анализ последовательностей нуклеотидных оснований в коротких участках ДНК человека. Таким образом, при расшифровке генома человека были использованы два научных подхода, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. Важно отметить, что получены близко совпадающие результаты, которые взаимно дополняют друг друга и свидетельствуют об их достоверности. Вопрос о точности изучения последовательностей ДНК особенно важен в отношении генома человека. В нашем геноме существует большое число повторов нуклеотидов. Кроме них в хромосомах есть теломеры, центромеры и зоны гетерохроматина, где секвенирование затруднено и они пока исключены из исследований. Предварительный анализ опубликованных материалов по расшифровке генома человека позволяет отметить несколько особенностей. Количество генов у человека оказалось существенно меньше, чем предполагали ученые несколько лет назад, называя величины 80-100 000 генов. По данным, опубликованным в журнале "Nature", у человека около 32 000 генов, тогда как в геноме мухи дрозофил их 13 000, круглого червя нематоды - 19100, а растения арабидопсиса - 25 000 генов. При сопоставлении этих величин следует иметь в виду, что расчетное число генов человека получено методами компьютерной геномики и не у всех генов выявлены конечные продукты. Кроме того, в геноме человека действует принцип "один ген - много белков", то есть многие гены кодируют семейство родственных, но существенно различающихся белков. Следует также иметь в виду процесс посттрансляционной модификации белков за счет различных химических групп - ацетильных, гликозильных, метильных, фосфатных и других. Поскольку таких групп в молекуле белка много, то и разнообразие может быть практически безграничным. Другой особенностью генома человека является наличие в нем генов различных вирусов и бактерий, которые постепенно накапливались в процессе
-5-
многомиллионной эволюции человека. По образному выражению академика Л.Л. Киселева, "...геном человека представляет собой молекулярное кладбище, на котором покоятся вирусные и бактериальные гены, большинство из них молчит и не функционирует".
Результаты расшифровки генома человека показали, что те 32000 генов, которые идентифицированы в настоящее время, составляют только 5% по объему, а 95% приходится на повторы разных типов, псевдогены, молекулярные остатки вирусов и бактерий и другие элементы, функциональная роль которых остается нераскрытой. Проблема "некодирующей" ДНК возникла давно, и множество гипотез указывает на то, что она далека от решения.
Расшифровка "смысловой" части генома человека - генов, кодирующих белки и РНК, открывает новые возможности в молекулярной диагностике не только наследственных заболеваний, но и развития и выявления изменений в функциональных особенностях здорового организма. Возникают принципиально новые направления в области генетического тестирования.
Благодаря тому, что в мире идентифицировано множество генов, ответственных за многие болезни человека, в том числе наследственные, нейродегенеративные, онкологические, бурно развиваются два направления медицинской геномики - геномная диагностика, которая позволяет диагностировать не менее 30 различных наследственных заболеваний, а также поиск и идентификация генов, определяющих предрасположенность ко многим тяжким болезням человека. Наряду с этим в последние два года постепенно формируется новое направление, которое можно отнести к функциональной геномике, поскольку оно выявляет связи между активностью отдельных генов и различными функциями человека. Среди них важное место занимает выявление связи специфических генов с развитием двигательной функции человека.
Формирование, развитие и проявление физических качеств человека подчинено сложной цепи взаимодействия генетических факторов и внешнего влияния
-6-
окружающей среды, которое в процессе многолетней спортивной подготовки включает тренировочные воздействия, соревновательные нагрузки и необходимые средства восстановления. В результате такого взаимодействия наследственные признаки иногда проявляются полностью или частично. Генетический аспект, несомненно, играет роль в развитии физических качеств человека. Вместе с тем следует признать, что объективных доказательств этого пока недостаточно, ибо применяемые в спортивной практике различные тесты измеряют не генотипический, а фенотипический уровень физических качеств. Очевидно, следует говорить о наследовании определенной генетической предрасположенности к формированию различных физических качеств человека, развитие которых зависит от биосоциальных условий. Идентификация генетического маркера, позволяющего прогнозировать развитие физических качеств человека, имеет большое значение для наиболее эффективного профессионального отбора в спорт и другие виды деятельности, связанные с экстремальными физическими нагрузками.
Стремительные успехи в расшифровке генома человека значительно расширили диапазон исследований по выявлению генетической предрасположенности к выполнению мышечной деятельности различного характера и длительности. Одним из наиболее важных для спорта практических достижений молекулярной генетики является разработка методов ДНК-диагностики, позволяющих выявлять участки ДНК, ответственные за генетическую детерминацию определенных метаболических и функциональных признаков, и среди них - за развитие двигательной функции человека. На прошедших в 2000 году семи крупных международных конгрессах и конференциях по спортивной науке одной из основных проблем, привлекших внимание многих участников, было выявление связи между полиморфизмом отдельных генов и спортивными результатами.
Анализ докладов, представленных на этих конференциях, позволяет сделать следующие обобщения :
-7-
1. Значительно увеличилось количество научных организаций в разных странах, где проводятся исследования по данной проблеме: Австралия, Англия, Бразилия, Германия, Испания, Италия, Канада, Китай, Россия, США, Финляндия, Япония.
2. Основные исследования сосредоточены в США, где финансируются два крупных проекта, которыми руководит д-р Клод Бочар. Один из них под названием "Наследство" выполняется учеными из пяти университетов, и на его осуществление выделено 23 млн долларов. Второй проект называется "Генатлет" и выполняется учеными четырех стран (США, Канада, Германия и Финляндия). Под наблюдением находятся 300 спортсменов, имеющих МПК свыше 75 мл/кг/мин, и 300 нетрениро ванных испытуемых с МПК ниже 50 мл/кг/мин.
3. Ген ангиотензин-конвертирующего фермента (АКФ) остается основным генетическим маркером, связь которого со спортивными результатами в разных видах спорта продолжает интенсивно исследоваться в разных лабораториях мира. Кроме этого исследуется связь между физической активностью человека и полиморфизмом еще шести генов.
Ангиотензин-конвертирующий фермент является ключевым ферментом ренин-ангиотензиновой системы, важнейшего гуморального регулятора артериального давления. Под действием этого фермента происходит генерация ангиотензина II - наиболее активного сосудосуживающего вещества и деградация брадикинина - важного сосудорасширяющего фактора. Изучение гена АКФ показало возможность инсерционно-делеционного полиморфизма, который заключается в наличии (insertion) или отсутствии (delection) фрагмента длиной из 287 пар нуклеотидов в 16-м интроне. На основании распределения I- и D-аллелей выделяют три генетических варианта полиморфизма: гомозиготные I/I и D/D, а также гетерозиготный I/D.
Существует четкая зависимость между генотипом АКФ и активностью АКФ. Мета-анализ 29 исследований, в которых параллельно определялись полиморфизм гена АКФ и уровень АКФ плазмы, выявил следующее соотношение при наличии D/D или I/D генотипа по сравнению с I/I генотипом: уровень АКФ в контрольных группах
-8-
оказался выше на 58 и 31% соответственно. Таким образом, эффект D-аллеля является кодоминантным.
Изменения в активности АКФ вызывают соответствующие изменения концентрации ангиотензина II, и это отражается на внутриклеточном метаболизме многих тканей. Оказалось, что ангиотензин II не только участвует в метаболизме как регулятор гемодинамики, но и одновременно является фактором роста, усиливающим процессы синтеза структурных белков в клетках миокарда, что приводит к гипертрофии сердечной мышцы .
В России изучение данной проблемы пока ограничено участием двух организаций - Института цитологии РАН и Санкт-Петербургского НИИ физической культуры. Сопоставление результатов, полученных в Санкт-Петербурге и в одной из ведущих лабораторий мира - Центре сердечно-сосудистой генетики Лондонского университета (Англия), свидетельствует об их корректности и открывает возможность для осуществления совместных научных проектов.
Расширение масштабов генетического тестирования обостряет связанные с ним этические и юридические проблемы.
Одна из причин повышенного внимания к проблемам генетического тестирования прогрессирующая коммерциализация генетики человека. Впервые в современной науке сложилась необычная ситуация, когда в работу над важным и дорогостоящим проектом "Геном человека" включились индивидуальные исследователи, создавшие частные фирмы и вступившие в острую конкуренцию с институтами и университетами, финансируемыми правительствами ведущих стран. Существенная разница в исследованиях университетских и институтских групп, работающих за счет грантов, представляемых правительствами, и коммерческих групп может в ближайшее время изменить ситуацию на финансовых рынках мира, поскольку патенты могут принести невиданные прибыли фармацевтическим и медицинским компаниям, для которых информация о генах человека крайне важна. На рынке предлагаются наборы для генетического тестирования стремительно
-9-
расширяющегося ассортимента различных генов и комплексные услуги, включающие их проведение. ДНК-диагностика во многих отношениях предпочтительнее традиционной диагностики, основывающейся либо на выявлении нарушений обмена веществ, либо на идентификации дефектных белков.
Расширение масштабов и увеличение эффективности генетического тестирования не только имеет положительные последствия, но и приводит к серьезному обсуждению этических и юридических вопросов. Научная общественность ряда стран проявляет серьезное беспокойство по этой проблеме и организует ряд международных и национальных конференций, на которых проводится широкое обсуждение и принимаются декларации и рекомендации по юридическим аспектам использования генетической информации.
Генетические продукты.
Согласно недавним оценкам Международной службы по внедрению прикладной биотехнологии в сельском хозяйстве посевные "генетические" площади и производство генных зерновых продуктов с каждым годом увеличиваются на 25-30%.
Но до сих пор страны -
участницы ЕС не определились с
перспективами генетических технологий
в сельском хозяйстве и пищевой
промышленности. А соблазн-то велик: по
мнению французского микробиолога
Жана-Поля Прюнье, "с помощью манипуляции
молекулами и прививок одному растению
клеток другого, в том числе искусственно
выращенного, можно получать самые
разнообразные плодоовощи, злаковые и
корнеплоды. Причем высокоурожайные,
почти невосприимчивые к болезням,
вредителям, к недостатку воды и света
или засухе".
Например, во Франции
ныне потребляется около 50 наименований
генетических продуктов из генной
кукурузы и 10 - из генетических злаков.
Причем последние уже начинают вытеснять
там, а также во французских заморских
территориях традиционные рапс, хлопчатник,
кукурузу, сою, кормовые травы и даже
виноградники.
Лидируют в "агрогенетическом"
экспорте США, где уже свыше трети всех
зерновых
-10-
посевов приходится на
генетические семена и соответственно
культуры. Особенно преуспели американцы
в выращивании генных кукурузы и сои-бобов.
Развивается такая отрасль и в соседних
регионах Канады, а также в Аргентине.
Однако
многие французские, британские, шведские,
германские, а также российские ученые
установили, что потребление генетических
продуктов ведет к необратимым изменениям
в организме людей и животных. В частности,
от пыльцы генной кукурузы "Бт"
гибнут не только насекомые и грызуны,
но даже безвредные бабочки, причем в
массовом порядке! Если такие культуры
будут активно скрещиваться с обычными
растениями и сорняками, это породит
повсеместное распространение опасных
для здоровья злаков и плодов, а также
"суперсорняков". Это, в свою очередь,
быстро вытеснит посевы традиционных
зерновых и других растениеводческих
культур.
В регионе ЕС уже шесть лет
действует запрет на импорт генетических
продуктов, прежде всего зерновых, из
Северной Америки. А там запрещен
"геноимпорт" из Евросоюза. Взаимные
переговоры пока ничего не решили, что
не в последнюю очередь связано с
обострением агроэкспортной конкуренции
между Северной Америкой и Западной
Европой: "генетическая" торговля
здесь используется как рычаг взаимного
давления.
Фактор конкуренции
повлиял на запрет "геноимпорта"
из любых стран, введенный во второй
половине 90-х годов в Австралии, Новой
Зеландии, ЮАР, Японии, Южной Корее и на
Тайване. Более того, в этих государствах
всячески ограничиваются рост посевных
площадей под генетическими культурами,
внутренняя торговля семенами.
Зато
не возбраняется экспортировать такие
товары, семена и рассады в большинство
развивающихся государств и бывших
соцстран, в том числе в Россию.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОТЦОВСТВА МЕТОДОМ ДНК-ДИАГНОСТИКИ.
Носителем наследственной информации человека является ДНК. У каждого человека она располагается в 46 парных хромосом. 23 хромосомы человек получает от матери, остальные 23 – от отца. Нумерация каждой пары производится в
-11-
соответствии с международной классификацией, при этом различия между парами хромосом выявляются визуально с помощью микроскопа; хромосомы каждой пары кроме половых хромосом Х и Y считаются одинаковыми.
Однако, современные молекулярно-генетические методы позволяют индивидуализировать каждую хромосому пары. Это и позволяет проводить определение отцовства на уровне ДНК.
При установлении отцовства исследуются индивидуальные различия ДНК определенных парных хромосом. Сначала выясняется, какую хромосому из пары ребенок получил от матери, затем производится сравнение оставшейся хромосомы с хромосомами предполагаемого отца.
Дактилоскопическая идентификация человека.
Целью
использования новых методов в
судебно-медицинской экспертизе
вещественных доказательств является
повышение идентификационных возможностей.
Значительная перспектива в этом
направлении появилась прежде всего за
счет использования достижений молекулярной
генетики.
Дактилоскопическая
идентификация человека один из наиболее
эффективных методов идентификации. В
современной криминалистике и судебной
медицине он заслуженно считается самым
разработанным и надежным методом.
Большая часть принципов криминалистической
теории идентификации в целом, и теории
идентификации личности человека в
частности, сформирована на основе
положений дактилоскопической
идентификации. Новые методы установления
идентичности, появляющиеся в науке
и практике, стараются сравнить с
дактилоскопией по надежности и
эффективности. Например, внедряемый в
настоящее время в широкую экспертную
практику метод генотипоскопии поначалу
даже назвали геномной дактилоскопией,
подчеркнув большие возможности
генотипоскопического метода в
идентификации личности человека путем
сравнения его возможностей с эталонным
криминалистическим методом. Поэтому,
изложение основ дактилоскопической
идентификации в данной главе учебника
будет полезно.
-12-
На ладонных поверхностях кистей рук и на аналогичных поверхностях стоп ног имеются узоры, образованные валиками и бороздками, называемые папиллярными узорами (papilla — сосочек, папиллярный — сосочковый). Их наличие обусловлено строением базового (сосочкового) слоя кожи, который еще называют дермальным слоем (дермой). Наружный слой кожи — эпидермис, отражает строение базового дермального слоя.
Папиллярные узоры возникают у плода человека в момент формирования кожных покровов и остаются неизменными до смерти человека. Разрушаются они после гибели человека вместе с кожей, что чаще всего происходит через значительный период времени после смерти. Папиллярные узоры полностью восстанавливаются в первоначальном виде после поверхностных повреждений кожи. После глубоких повреждений остаются шрамы, которые имеют индивидуальный характер.
Строение папиллярных узоров строго индивидуально. Более чем столетними наблюдениями доказано, что папиллярные узоры не повторяются у разных людей. И даже сиамские близнецы, тела которых в той или иной степени соединены между собой, имеют различающиеся папиллярные узоры.
Указанные свойства позволяют эффективно использовать папиллярные узоры для идентификации людей.
Наряду с тем, что папиллярные узоры строго индивидуальны, они имеют и общие черты, что позволяет их классифицировать.
В практических целях идентификации человека в большинстве случаев используются папиллярные узоры концевых фаланг пальцев рук.
Рассмотрим строение папиллярных узоров. Все папиллярные узоры делят на три основных типа: петлевые (частота встречаемости примерно 65%); завитковые (30%); дуговые (5%). (рис. 2) Кроме того, выделяют группы: переходных типов узоров, например между петлевым и завитковым, между дуговым и петлевым; атипичных узоров; узоров, тип которых не определяется в силу каких-либо причин.
-13-
Суть дактилоскопического идентификационного исследования состоит в том, что эксперт производит сравнительное исследование двух отображений папиллярных узоров. Происхождение одного из которых от конкретного человека (А) известно, а происхождение второго папиллярного узора (X) неизвестно или вызывает сомнение. Папиллярные узоры сравниваются вначале по общим признакам, таким как тип и вид узора. Затем анализируются детали строения, при этом учитывается наличие деталей в сравниваемых отображениях и их взаиморасположение. При совпадении всех обнаруженных деталей и отсутствии различий идентичность узоров считается установленной. При обнаружении хотя бы одного достоверно установленного различия папиллярные узоры признаются неидентичными.
Если брать во внимание только количество совпадающих точек, то 17 достаточно для того, чтобы выделить одного человека из всего населения земного шара (расчеты произведены одним из основоположников современной дактилоскопии). Но при исследовании учитывается не только количество точек, но их расположение и качество. Поэтому, в отдельных случаях можно осуществить идентификацию при наличии всего 6-7 деталей строения папиллярного узора. Если же использовать и микроскопические признаки, такие как строение краев и концов линий, строение и расположение пор, то вывод может быть сделан по еще меньшему количеству точек узора.
В каких же основных ситуациях может быть проведена дактилоскопическая идентификация?
Одним из основных условий для осуществления дактилоскопической идентификации является наличие отпечатков пальцев, полученных от известного человека (от А). В настоящее время у нас в стране официально имеется право получать и хранить только отпечатки пальцев преступников. При необходимости отпечатки пальцев могут быть получены и у других граждан.
Аналогичные идентификационные исследования могут быть проведены не только по отображениям узоров пальцев рук, но и по отпечаткам ладоней и стоп
-14-
ног. В некоторых теплых странах для регистрации преступников используют отпечатки стоп, так как их часто обнаруживают на местах происшествий. А в США, например, отпечатки папиллярных узоров стоп получают у младенцев для возможной в дальнейшем идентификации.
Заключение.
Итак, адекватно воспринимать происходящую на наших глазах революцию в биологии и в медицине, уметь воспользоваться ее заманчивыми плодами и избежать опасных для человечества соблазнов - вот что необходимо сегодня и врачам, и биологам, и представителям других смежных специальностей, и просто образованному человеку.
Уберечь генофонд человечества, всячески защищая его от рискованных вмешательств, и при этом извлечь максимальную выгоду из уже полученной бесценной информации в плане диагностики, профилактики и лечения многих тысяч наследственно обусловленных недугов - вот задача, которую необходимо решать уже сегодня и с которой мы войдем в новый 21-й век.
-15-
Список литературы:
1. Науменко В.Г., Митяева Н.А. Гистологические и цитологические методы исследования в судебной медицине. М., 1980 г.
http://www.rg.ru/bussines/rinky/166.shtm
http://www.pregnancy.ru/paternity/technical.htm
Самищенко С.С., Судебная медицина –М.: Право и Закон, 1996 г.
-17-
Контрольные вопросы:
1. В каких журналах в 2001 году опубликовали отчеты двух научных групп, расшифровавших геном человека?
2.Сколько у человека генов?
3.Какая страна лидирует в «агрогенетическом» экспорте?
4.Сколько парных хромосом у человека?
-16-
План. стр
1.Введение…………………………………………………………………………….3
2.Геном человека……………………………………………………………………..4
3.Генетические продукты……………………………………………………………10
4.Определение отцовства методом днк-диагностики………………………………11
5.Дактилоскопическая идентификация человека…………………………………...12
6.Заключение…………………………………………………………………………..15
7.Контрольные вопросы………………………………………………………………16
8.Список литературы………………………………………………………………….17
-2-
АСТРАХАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра гидробиологии
и общей экологии
РЕФЕРАТ на тему:
Последние достижения в области генетики
Выполнил:
Студент группы ДФР-11
Мукашев Рафаэль
Проверила:
Доцент Мельник И.В.