Материальные основы наследственности – структура и функции днк, ген, генетический код.

Медицинская генетика

для студентов II курса лечебного и педиатрического факультетов

 

Международный проект «Геном человека». Генетическая инженерия. Основные этапы метода, цели, задачи.

Генетическая инжене́рия (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, какмолекулярная и клеточная биология, цитология, генетика, микробиология, вирусология.

Генная инженерия служит для получения желаемых качеств изменяемого организма

Задачи генной инженерии:

1.создание рекомбинантных ДНК для переноса в другие клетки

2.разработка методов введения рекомбинанатной ДНК в клетку

3.создание условий для нормальной экспрессии генов, введенных в клетку

Основные направления генетической модификации организмов:

– придание устойчивости к ядохимикатам (например, к определенным гербицидам);

– придание устойчивости к вредителям и болезням (например, Bt -модификация);

– повышение продуктивности (например, быстрый рост трансгенного лосося);

– придание особых качеств (например, изменение химического состава).

Методы генной инженерии

Методы основаны на получении фрагментов исходной ДНК и их модификации.

Для получения исходных фрагментов ДНК разных организмов используется несколько способов:

– Получение фрагментов ДНК из природного материала путем разрезания исходной ДНК с помощью специфических нуклеаз (рестриктаз).

– Прямой химический синтез ДНК, например, для создания зондов (см. ниже).

– Синтез комплементарной ДНК (кДНК) на матрице мРНК с использованием фермента обратной транскриптазы (ревертазы).

Выделенные участки ДНК встраивают в векторы переноса ДНК. Векторы ДНК – это небольшие молекулы ДНК, способные проникать в другие клетки и реплицироваться в них. В качестве векторов часто используют плазмиды (кольцевые молекулы ДНК прокариотических клеток), а также ДНК вирусов.

Проект по расшифровке генома человека (англ. The Human Genome Project, HGP) — международный научно-исследовательский проект, главной целью которого было определить последовательность нуклеотидов, которые составляют ДНКи идентифицировать 20—25 тыс. генов в человеческом геноме^[1].

Проект начался в 1990 году, под руководством Джеймса Уотсона под эгидой Национальной организации здравоохранения США. В2000 году был выпущен рабочий черновик структуры генома, полный геном — в 2003 году, однако и сегодня дополнительный анализ некоторых участков ещё не закончен. Частной компанией «Celera Genomics (англ.)» был запущен аналогичный параллельный проект, завершённый несколько ранее международного. Основной объём секвенирования был выполнен в университетах и исследовательских центрах США, Канады и Великобритании. Кроме очевидной фундаментальной значимости, определение структуры человеческих генов является важным шагом для разработки новых медикаментов и развития других аспектов здравоохранения.

Хотя целью проекта по расшифровке генома человека является понимание строения генома человеческого вида, проект также фокусировался и на нескольких других организмах, среди которых бактерии, в частности, Escherichia coli, насекомые, такие как мушка дрозофила, и млекопитающие, например, мышь.

Генные болезни. Общие понятия. Классификация. Примеры.

Наследственные болезни обмена. Общая характеристика.

Муковисцидоз, генетика, первичный генетический дефект, клиника, патогенез, диагностика, лечение.

Общая характеристика митохондриальной патологии. Особенности генома митохондрий. Примеры заболеваний.

Наследуются по материнской линии.

Особенности генома: 1) имеют собственные ДНК и собственные гены. 2) Геном представлен кольцевой молекулой ДНК. 3)нет интронов. Отсутсвуют генетическая рекомбинация ДНК. 4) Имеет материнское происхождение. 5) Нет гистоновых белков. 6) УГА кодирует триптофан, а не стоп-кодон, АУА кодирует метионин, а не изолейцин, АГГ и АГА- стоп-кодоны

Примеры: Синдром Лебера, Синдром Лея.

Особенности аутосомно-доминантного типа наследования. Примеры заболеваний.

Особенности аутосомно-рецессивного типа наследования. Примеры заболеваний.

Особенности Y сцепленного типа наследования. Примеры заболеваний.

Особенности Х-сцепленного доминантного типа наследования. Примеры заболеваний.

Особенности Х-сцепленного рецессивного типа наследования. Примеры заболеваний.

Цитоплазматический или материнский тип наследования. Примеры заболеваний.

Числовые и структурные аберрации хромосом. Примеры.

Хромосомные перестройки (хромосомные мутации, или хромосомные аберрации) — тип мутаций, которые изменяют структуру хромосом. Классифицируют следующие виды хромосомных перестроек: делеции (утрата участка хромосомы)-синдром кошачьего крика, инверсии (изменение порядка генов участка хромосомы на обратный) перицентрической инверсии в 9 хромосоме, которую считают вариантом нормы, дупликации (повторение участка хромосомы), транслокации (перенос участка хромосомы на другую) Примером реципрокной транслокации может служить транслокация типа «филадельфийская хромосома» (Ph) между хромосомами 9 и 22., а также дицентрические и кольцевые хромосомы. Известны также изохромосомы, несущие два одинаковых плеча. Если перестройка изменяет структуру одной хромосомы, то такую перестройку называют внутрихромосомной (инверсии, делеции, дупликации, кольцевые хромосомы), если же двух разных, то межхромосомной (дупликации, транслокации, дицентрические хромосомы).

ПРИЧИНЫ ВПР

Тератогенные воздействия. Тератогенные факторы — те средовые факторы, которые нарушают развитие эмбриона и/или плода, воздействуя на эмбрион и/или плод в течение беремен­ности. По крайней мере 10% всех ВПР обусловлено воздействием факторов внешней среды. Эффект тератогенов обусловлен влиянием на гисто- и органо­генез, рост и развитие плода.

Генетические нарушения. Генетические факторы могут приводить как к единичным ВПР, так и к разви­тию многообразных синдромов.

Спорадические заболевания. Спорадические заболевания часто бывают следствием нарушения эмбриональ­ного развития или патологического течения беременности (например, при ок­клюзии кровеносных сосудов). Некоторые врождённые аномалии могут возни­кать в результате спонтанной доминантной мутации (SR) соматических клеток, либо приводящей к летальному исходу, либо оказывающей воздействие на реп­родуктивную функцию и не передающейся потомству.

ТИПЫ ВПР

В зависимости от срока беременности при воздействии повреждающих факто­ров выделяют гаметопатии, бластопатии, эмбриопатии и фетопатии.

Гаметопатии — результат воздействия на половые клетки (например, все ВПР, в основе которых находятся мутации в половых клетках).

Бластопатии — следствие поражения бластоцисты — зародыша первых 15 сут после оплодотворения (до завершения формирования зародышевых листков). Результатом бластопатии являются, например, двойниковые пороки (срос­шиеся близнецы), циклопия (наличие одного или двух слившихся глазных яблок в единственной орбите по срединной линии лица).

Эмбриопатии — результат воздействия тератогенного фактора на эмбрион в период с 16-го дня до 8—9-й недели беременности. К этой группе относятся талидомидные, диабетические, алкогольные и некоторые медикаментозные эмбриопатии, а также ВПР, развившиеся под влиянием вируса краснухи.

Фетопатии — следствие повреждения плода от 9-й недели до момента рожде­ния. К фетопатиям относятся, например, крипторхизм, открытый боталлов проток или пренатальная гипоплазия какого-либо органа или плода в целом.

МЕХАНИЗМЫ РАЗВИТИЯ

Механизмы развития ВПР могут быть охарактеризованы в рамках искажения межмолекулярных и межклеточных взаимодействий и нарушений морфогене-тических процессов.

Расстройства межмолекулярных и межклеточных взаимодействий приводят к на­рушениям синтеза биологически активных веществ, структуры белков и жизненно важных процессов, искажающих дифференцировку и функции клеток, тканей и органов.

Нарушения морфогенетических процессов (пролиферация, миграция, дифференцировка и гибель клеток) приводят к аплазии или гипоплазии органа или его части, задержке слияния эмбриональных структур, персистированию эмбриональ­ных структур, к атрезии и гетеротопии и т.д.

Категории ВПР.

Агенезия — полное отсутствие органа (например, тимуса, почки, глаз).

Аплазия и гипоплазия — отсутствие или значительное уменьшение органа при наличии его сосудистой ножки и нервов (например, одной почки, селезёнки, лёгкого, конечности, кишечника).

Атрезия — полное отсутствие канала или естественного отверстия (например, атрезия наружного слухового прохода, пищевода, ануса).

Гетеротопия — перемещение клеток, тканей или части органа в другую ткань или орган (например, клеток поджелудочной железы в дивертикул Меккеля, хромаффинных клеток в ткань лёгких).

Персистирование — сохранение эмбриональных структур, исчезающих в норме к определённому этапу развития (например, открытый артериальный проток у годовалого ребёнка, крипторхизм).

Стеноз — сужение просвета отверстия или канала (например, клапанного от­верстия сердца, привратника желудка, фрагмента кишечника).

Удвоение (утроение) — увеличение числа органов или его части (например, удвоение матки, мочеточников).

Эктопия — необычное расположение органа (например, почки в малом тазу, сердца — вне грудной клетки).

Орфанные заболевания. Общие понятия. Примеры. Реестр орфанных заболеваний.

Опасность процедуры

1. Примерно 1 – 2 % проведенных процедур становятся причиной невынашивания беременности.

2. Разрыв мелких сосудов при проколе может стать причиной ретрохориальной гематомы, с угрозой выкидыша.

3. В редчайших случаях (0,1 – 0,5 %) и, в зависимости, от профессионализма хирурга, проводящего манипуляции, и качества используемого оборудования может возникнуть внутриутробное инфицирование, угрожающее жизни, как плода, так и матери.

4. В течение двух суток после биопсии ворсин хориона женщина может наблюдать у себя ощущения спазматического характера.

Компьютерные диагностические программы. Задачи, решаемые с их помощью. Примеры программ.

 

 

Медицинская генетика

для студентов II курса лечебного и педиатрического факультетов

 

Материальные основы наследственности – структура и функции ДНК, ген, генетический код.

Первичная структура ДНК – порядок чередования дезоксирибонуклеозидмонофосфатов (дНМФ) в полинуклеотидной цепи. Сокращенно эту последовательность записывают с помощью однобуквенного кода от 5¢ к 3¢ концу, например 5¢-А-Г-Ц-Т-Т-А-Ц-А-3¢. Первичная структура строго специфична и индивидуальна для каждой природной ДНК и представляет кодовую форму записи биологической информации (генетический код). Впервые доказательство генетической роли ДНК получено в 1944 г. Освальдом Эйвери с сотрудниками в опытах по трансформации, осуществленных на бактериях. Содержание нуклеотидов в ДНК, подчиняется закономерностям, выявленным Эрвином Чаргафом (1950): суммарное количество пуриновых оснований равно сумме пиримидиновых, причем количество А равно количеству Т, а количество Г – количеству Ц. Эти закономерности определяются особенностями вторичной структуры ДНК.

Вторичная структура ДНК представляет собой спираль, состоящую из двух антипараллельных полинуклеотидных цепей, закрученных относительно друг друга и вокруг общей оси. Все основания цепей ДНК расположены стопкой внутри двойной спирали, а пентозофосфатный остов – снаружи. Полинуклеотидные цепи удерживаются друг относительно друга за счет водородных связей между комплементарными основаниями. Дополнительная стабилизация спирали происходит за счет гидрофобных взаимодействий, возникающих между азотистыми основаниями в стопке. Выяснение вторичной структуры ДНК (Д.Уотсон, Ф.Крик, 1953) стало одним из величайших открытий в естествознании, так как позволило раскрыть механизм передачи наследственной информации в ряду поколений.

Третичная структура ДНК различается у прокариотических и эукариотических организмов. У бактерий и вирусов, а также в митохондриях и хлоропластах эукариот ДНК имеют либо линейную, либо кольцевую форму, двух- или одноцепочечную. Двухцепочечные ДНК легко переходят в суперспирализованное состояние в результате дополнительного скручивания в пространстве двухспиральной молекулы.Третичная структура ДНК эукариотических клеток также выражена в многократной суперспирализации молекулы, однако, в отличие от прокариот, она осуществляется в форме комплексов ДНК с гистоновыми и негистоновыми белками. Такие дезоксинуклеопротеины называются хроматином.

Биологическая рольднк заключаетсяв хранении, реализации и передаче генетической информации. Возможно, что нуклеиновые кислоты обеспечивают различные виды биологической памяти – иммунологическую, нейрологическую и т.д., а также играют существенную роль в регуляции биосинтетических процессов.

Ген -наследственный фактор, который несёт информацию об определённом признаке или функции организма, и который является структурной и функциональной единицей наследственности.

Генетический код — это система записи генетической информации о последовательности расположения аминокислот в белках в виде последовательности нуклеотидов в ДНК или РНК.

1. код триплетен. Одна аминокислота кодируется тремя нуклеотидами.

2. Код универсален. Все живые организмы (от бактерии до человека) используют единый генетический код.

3. Код вырожден. Одна аминокислота кодируется более чем одним триплетом.

4. Код однозначен. Каждый триплет соответствует только одной аминокислоте.

5. Код не перекрывается. Один нуклеотид не может входить в состав нескольких кодонов в цепи мРНК.

 

2. Реализация наследственной информации - центральная догма молекулярной генетики, транскрипция (экзоны, интроны, сплайсинг), трансляция (общие понятия).