Вход

Как гены человека наносят на карту

Реферат по биологии
Дата добавления: 01 февраля 2004
Язык реферата: Русский
Word, rtf, 1.5 Мб
Реферат можно скачать бесплатно
Скачать
Данная работа не подходит - план Б:
Создаете заказ
Выбираете исполнителя
Готовый результат
Исполнители предлагают свои условия
Автор работает
Заказать
Не подходит данная работа?
Вы можете заказать написание любой учебной работы на любую тему.
Заказать новую работу

Введение Генетика человека как фундаментальная , так и прикладная наука . Как фунда ментальная наука - это область генетики , которая изучает законы наследственности и изменчивости у самых интересных организмов - чел о веческих существ . Научные результаты , полученные при этом , ценны для нас не только в теоретическом плане . Вот почему генетик а - это также и прикладная наука . Важность ее для благополучия человечества очень вел и ка , успехи , достигнутые в этой области , приносят ученым большую радость , чем новые сведения , полученные в чисто теоретических или чисто прикла д ных исследованиях. По данны м Всемирной организации здравоохранения , около 2,5% н о ворожденных появляются на свет с различными пороками развития . При этом 1,5-2% из них обусловлены преимущественно неблагоприятными внешними (экзогенными ) факторами , а остальные имеют преимущественно ген етическую природу . Генетические факторы пороков развития отражают так называемый общий генетический груз популяции , который проявляется более чем у 5% населения планеты . Примерно 1% генетического груза пр и ходится на генные мутации , 0,5% - на хромосомные му тации , около 3-3,5% соответствует болезням с выраженным наследственным компонентом (ди а бет , атеросклероз , ишемическая болезнь сердца , некоторые опухоли и т.д .). Если к этому добавить , что около 40-50% ранней младенческой смертности и инвалидности с детства обусловлены наследственными факторами и пр и мерно 30% коек в детских стационарах заняты детьми с наследственной п а тологией , становится понятной безусловная необходимость правильной и рационально организованной ранней диагностики врожденных и насле д ственных болезней (пренатальной диагностики ). Знания в области генетики позволили бы не только установить диагноз еще до рождения , но и предо т вратить появление на свет детей с тяжелыми , неисправимыми пороками развития , с социально значимыми смертельными генными и хромосомными болезнями. Число генных болезней , доступных молекулярной диагностике , уже превышает 1000 и продолжает быстро увеличиваться . Созданы и постоянно совершенствуются все новые эффективные и достаточно универсальные м е тоды ДНК-диагностики , такие , ка к метод полимеразной цепной реакции (ПЦР ), автор которой – американский ученый Кэй Муллис отмечен Ноб е левской премией 1994 года , метод гибридизации , увековечивший имя его создателя Эд . Саузерна (1975 год ), и методы ДНК-секвенирования (анализ первичной посл едовательности нуклеотидов в цепочке ДНК ), разработа н ные П . Сэнджером. Несколько назад начались исследования по международной пр о грамме "Геном человека ", объединившей усилия ученых многих стран . К о нечная цель ее – создать подробную карту человеческого генома , то есть полного набора его генов . А цель предлагаемого реферата гораздо более скромная : пробившись сквозь завесу заумных терминов (в каковом отнош е нии генетика – дисциплина неудобоваримая даже для самих генетиков ), ввести читателя в курс одного из величайших научных проектов века. География генома До сих пор возможности науки позволяли составлять разве что ген е тические карты совсем простеньких организмов , вроде кишечной палочки . Если всю последовательность ее генов , составляющих единственную з а мкн утую хромосому , распечатать на бумаге в столбик мелким шрифтом , присвоив каждому гену короткое имя из трех-четырех букв , получится кн и жица страниц в 300 обычного формата . А если так же поступить с человеч е ским геномом – итоговый труд займет 200 томов по 10 00 страниц каждый. Ныне эта необъятная "библиотека " напоминает скорее свалку книг : большинство листов не заполнено , остальные перепутаны , и вообще далеко не всегда ясно , какой том за каким идет . Известно , что ге ном человека насчитывает около 80000 генов , состоящих в сумме примерно из 3 млрд . пар нуклеотидов (так называется мономер двойной спирали ДНК , подобно тому как аминокислота – мономер белковой молекулы ). Локализ о вано же всего 7000 генов – меньше 10%. Для не которых районов генома , предста в ляющих особый интерес , составлены д о вольно детальные карты , для остальных – весьма приблизительные либо вовсе ник а ких. Карты генома , как и географические , можно строить в разном ма с штабе , с различным уровнем разрешения – пос ледний зависит от точности метода анализа . Существует две разновидности карт генома – собственно генетические , получаемые косвенными методами , и физические – результат прямого исследования молекулы ДНК . Максимально возможная степень д е тализации – с точност ью до пары нуклеотидов (далее п.н .). Иными словами , самая крупномасштабная карта – полная последовательность нуклеотидов с указанием , где кончается один ген и начинается следующий . Но это предел мечтаний , и пока до него далеко . А то , чем мы сегодня распол а гаем , - гла в ным образом мелкомасштабные карты всех 23 пар человеческих хромосом с расстоянием между отдельными маркерами – мельчайшими "различимыми на местности объектами " – 7-10 млн . п.н. Начнем с карт , составляемых при помощи косвенных методов изуч е ния г енома. Карты генетического сцепления Прежде всего заметим , что человеческая ДНК состоит , строго говоря , не только из генов . Ген , или экзон , - это экспрессируемый участок молек у лы ДНК , иначе говоря , ее отрезок , на котором , как на станке , "штампуются " моле кулы того или иного белка . Но подавляющее большинство нуклеоти д ных последовательностей в ДНК – интроны , не кодирующие ничего . Не всегда ясно , зачем они нужны и что делают , но – явно нужны и делают , иначе бы их не было. Карта генетического сцепления составл яется так . Сначала нужно в ы брать маркеры – какие-нибудь признаки организма , о которых точно и з вестно , что они наследственные , а не "благоприобретенные ". Правда , пр и знак годится на роль маркера , лишь если по нему имеются различия между индивидами и если эти различия легко выявить . Скажем , цвет глаз , или группа крови , или предрасположенность к некоей болезни. После того как маркеры выбраны , начинается анализ их наследов а ния . У генов есть одно любопытное свойство – они могут рекомбинировать , т.е . перераспредел яться . Либо в процессе развития сперматозоидов и яйц е клеток цепочка ДНК случайным образом разрывается и воссоединяется в разных местах , либо просто две хромосомы , составляющие пару (гомол о гичные ), обмениваются соответственными участками . В обоих случаях п о лучается новое сочетание признаков – те , что обычно наследуются совмес т но , разделяются. Так вот , известна закономерность : чем ближе друг к дружке распол о жены два гена на хромосоме , тем труднее им "распрощаться " при рекомб и нации – один "тянет " за собой друг ой . На этом и основано построение карт сцепления . Чем реже происходит рекомбинация между данными двумя пр и знаками-маркерами , тем меньше расстояние между генами , их кодирующ и ми. Правда , таким путем можно выяснить лишь взаимное расположение "действующих " ген ом (экзонов ) – вернее , вычислить расстояние между н и ми на хромосоме по частоте рекомбинаций . Установлено , что если после д няя равна 1%, дистанция между генами составляет примерно 1 млн . п.н ., или 1 Мб (одну мегабазу – последнее слово и означает "миллион осн ов а ний ", т.е . нуклеотидов ). Одна мегабаза "на местности " соответствует 1 сМ на карте (одной сантиморганиде – название этой единице дали честь вел и кого генетика Т.Х . Моргана ). Но аналогичным способом можно картировать и интроны . Для них маркерами обычно сл ужат так называемые сайты узнавания . Дело в том , что существуют специальные ферменты , предназначенные для разрезания ДНК , - рестриктазы . Это белковые молекулы особого устройства . Грубо говоря , они попросту "шинкуют " ДНК , режут на отрезки , но не как попало, а в определенных местах . Всякая рестриктаза может опознать лишь одну ста н дартную последовательность из нескольких нуклеотидов . Последняя и ст а новится сайтом узнавания для фермента . А уж как тот "покромсает " ДНК , зависит от того , сколь густо она "усеяна " с айтами узнавания . Молекулы р е стриктазы химически связываются с ними и в этих местах рвут цепь ДНК. Имеются сравнительно простые методы измерения длин участков , на которые порезала молекулу ДНК рестриктаза . Любое изменение сайта узн а вания ведет к тому , что тот становится "невидимым " для фермента . А зн а чит , ДНК разрезается в других местах и образуются иные по длине фра г менты. Чем хорош метод картирования по генетическому сцеплению – его можно применять , не имея ни малейшего представления о структуре генов тех или иных признаков . Достаточно уверенности , что таковые гены есть , а дальнейшие мероприятия направлены на то , чтобы узнать , ГДЕ они , а не КАКИЕ они. Недостатки метода – довольно низкая разрешающая способность (7-10 Мб ) и высокая трудоемкость . Кроме того , ген на карте предстает не пр о тяженным отрезком ДНК (каков он "на местности "), а точкой на линии , изображающей ее двойную цепь. Наконец , к великому сожалению , человек – не дрозофила . Очень ле г ко считать частоту рекомбинации маркеров , скрещивая мелких мушек т ы сячами и десятками тысяч . А с Homo sapiens такой способ по понятным причинам не годится , и о частоте рекомбинации приходится судить по ст а тистическим данным – скажем , по заболеваемости таким-то наследстве н ным недугом в стольких-то семьях за столько-то де сятилетий (а то и веков ). Кстати , именно генетическое картирование помогло найти точное распол о жение на хромосомах генов многих тяжелых наследственных болезней – муковисцидоза , серповидно-клеточной анемии , хореи Гентингтона , болезни Тея-Сакса , поликистоза почек , миотонической дистрофии и других. Мелкомасштабные физические карты К ним относят хромосомные и карты кДНК ("к " значит "кодиру ю щей "). Хромосомное картирование довольно грубо , но имеет смысл , когда нужный ген держат , что называется , в руках : известн а его структура , он х и мически выделен , но неизвестно , где он "сидит ". Тогда хромосомы , извл е ченные из ядра клетки во время ее деления (когда они толстые и хорошо различимы ), обрабатывают особыми красителями , придающими им "пол о сатость ": получаются так назы ваемые бэнды – разноокрашенные участки хромосом . Искомый ген размножают в пробирке и при этом метят его к о пии , подменяя , например , водород тритием . За таким радиоактивным зо н дом очень удобно следить : если подмешать его к препарату хромосом и в ы держать нек оторое время , он химически свяжется с определенным бэндом определенной хромосомы , встав "на свое место " (это называется "гибрид и зация in situ ", т.е . "на месте "). Так были картированы гены альбумина , ко л лагена , гормона роста и некоторые другие. Средний разм ер бэнда – около 10 Мб : такова и точность хромосомной карты . Правда , позднейшее усовершенствование – гибридизация с флуоре с центной меткой ( FISH – fluorescent in situ hybridization ) – повысило разр е шение до 5-2 Мб . Более того , разработан даже метод гибридиз ации меченых генов с хромосомами , извлеченными из ядра неделящейся клетки – и зн а чит , де конденсированными , "развинченными ", а не упакованными в ко м пактные образования . В итоге удалось локализовать участки до 0,1 Мб. Карты кДНК отражают расположение экспрессирующихся нукле о тидных последовательностей . По-русски это означает следующее . Доп у стим , в клетке активно работает , производя белок , некий ген . Что за ген – неизвестно . Где он – тоже . Тогда пользуются тем обстоя тельством , что при синтезе белка в клеточном ядре сначала "штампуются " молекулы мРНК – точные копии работающего гена ("м " – матричные ). Сей промежуточный продукт можно выловить из клетки и размножить в пробирке , пометив тр и тием либо радиоактивным фосфором. А дальше все как при хромосомном картировании : зонд пристроился к участку N – значит , экспрессия шла здесь и , следовательно , здесь расположен ген , кодирующий данный белок. Крупномасштабные карты генома Их составляют по общему принципу : сначала кромсают ДНК на ку с ки , разгоняют получившиеся фрагменты в электрическом поле (электроф о рез ) и затем гибридизируют с меченым зондом . В результате фрагменты упорядочиваются – воссоздается их исходная последовательность . Для эт о го используют разные методы поиска перек рывающихся участков. В любом случае необходимо прежде всего получить фрагменты ДНК картируемого участка в больших количествах . ДНК размножают обычно двумя способами – клонированием и ПЦР. КЛОНИРОВАНИЕ – по современным понятиям сравнительно прим и тивный мето д . Последовательность действий такова : порезали рестриктазой изучаемый участок ДНК – вставили каждый ее отрезок в молекулу вектора (бактериальной , дрожжевой или другой кольцевой ДНК ), разрезанную в о д ной точке той же рестриктазой : получилась рекомбинантная кольцевая ДНК с "чужой " вставкой . Такую смешанную ДНК "вселяют " в ядро клетки-хозяина (обычно бактерии ), и та принимается делиться в культуре , благод а ря рекомбинантная ДНК – и.о . ее генома – размножается практически до любого количества копий . Результат – набор клонов разных фрагментов картируемой ДНК , или , как его обычно называют , библиотека клонов. ПОЛИМЕРАЗНАЯ ЦЕПНАЯ РЕАКЦИЯ (ПЦР ) – лабораторный си н тез фрагментов ДНК без клетки-хозяина . В пробирку к фрагменту , который надо размножить , "подсаживают ": а ) фермент ДНК-полимеразу , который осуществляет воспроизведение ДНК в живых клетках ; б ) стройматериал , т.е . отдельные нуклеотиды ; в ) прамеры – короткие цепочки нуклеотидов , соответствующие ко н цам размножаемого фраг мента . Тут , как видите , слабое место метода : про упомянутый участок надо кое-что знать заранее – а именно структуру пра й меров… Затем пробирку нагревают – фрагмент от жары "расклеивается ", ра з деляясь на две цепи ; пробирку охлаждают – праймеры присоединяютс я к концам фрагмента и полимераза начинает свое дело . Чередуя нагревания и охлаждения , можно за полтора часа довести количество копий нужного участка ДНК до нескольких миллионов – в чем и состоит главное преим у щество ПЦР перед клонированием . Но у нее есть два недостатка . Один уже упомянут – нужно знать праймеры "в лицо ", иначе реакцию не удастся з а пустить . Второй – техническая невозможность копировать фрагменты длиннее 5-6 п.н. После того как все фрагменты ДНК получены в достаточном колич е стве копий , их упо рядочивают , для чего сперва разделяют электрофорезом , а затем химически связывают (гибридизуют ) с меченым зондом , чтобы ка ж дый фрагмент встал на свое место и , так сказать , просигналил о себе : вот он я ! Крупномасштабные физические карты генома бывают двух т ипов . Первый – МАКРОРЕСТРИКЦИОННЫЕ (по принципу "сверху вниз "): ДНК режут редкощепящей рестриктазой на крупные куски , упорядочивают их , потом делят на более мелкие , которые тоже упорядочивают . Такая карта охватывает довольно большие участки генома – до 10 Мб – и не содержит пробелов . Но ее разрешение сравнительно невелико – от 1 Мб до 100 кб. Гораздо выше точность у КАРТ КОНТИГ . Их строят по обратному принципу – "снизу вверх ". Хромосому шинкуют на очень короткие фра г менты , размножают их и упорядочивают . Наб ор упорядоченных коротких фрагментов , покрывающих определенный участок хромосомы , - это и есть контига . А где сама она расположена на хромосоме , можно установить м е тодом FISH . Правда , карту контиг трудно расширить до крупных районов хром о сомы , поскольку не льзя размножать большие фрагменты ДНК – ни клон и рованием , ни ПЦР . Хотя в последние годы достигнут серьезный успех : уд а лось создать гигантскую молекулу-вектор , в которую можно встроить уч а сток человеческой ДНК размером до мегабазы . Этот вектор называется YA C – the yeast artificial chromosome , искусственная дрожжевая хромосома . До внедрения YAC в качестве векторов применялись в основном бактер и альные плазмиды – крошечные колечки ДНК , несшие вставки чужеродного материала максимум в 20-40 кб . Смысл применения Y AC – значительное уменьшение числа клонов , которые нужно упорядочивать. Прогулка по хромосоме Все описанные выше методы позволяют создавать либо приблиз и тельные карты обширных регионов генома , либо подробные "топографич е ские планы " мелких его участков . К ак совместить то и другое – закартир о вать большой район , но детально ? Современная стратегия заполнения пробелов – прогулка по хромос о ме . Ее начинают с какого-нибудь короткого участка , чья нуклеотидная п о следовательность уже расшифрована . По ней синтезируют праймер , гибр и дизируют его с первым попавшимся клоном из неупорядоченной геномной библиотеки , а затем "подключают к делу " полимеразу – она делает цепь , комплементарную данному клону . Затем эту цепь секвенируют , а ее хвостик используют в качестве праймера для следующего шага по хромосоме. Вот и прозвучало слово "секвенирование ". Так называется новейший , прославленный , подробнейший , точнейший… и , с позволения сказать , т я гомотнейший метод картирования генома . Его сущность – полная расши ф ровка последовательнос ти нуклеотидов . Чтобы в деталях объяснить , как она осуществляется , потребовалась бы двухчасовая лекция по молекулярной биологии . Посему в двух словах : из библиотеки клонов извлекают фрагмент ДНК , вновь клонируют , а получившиеся копии химически преобразуют в набор отрезков ДНК , различающихся по длине лишь на один нуклеотид (вот именно эту стадию практически невозможно описать общедоступным яз ы ком – настолько она сложна даже для генетика-профессионала ). Затем уп о мянутые отрезки разделяются на гелевой пластинк е в пул ь сирующем эле к тромагнитном поле (пульс-форез ). Послед о вательность нуклеотидов ч и тают по фореграмме : каждый отрезок "уезжает " по гелевой пластинке настолько далеко , сколь велика его длина , и з а нимает место в одном из чет ы рех стол б цов – в зависимости от того , на какой нуклеотид (а их всего четыре типа ) он дли н нее соседнего. Хотя современные ус о вершенствования позволяют изучать одновр е менно до 40 клонов на одном геле , затраты времени и средств все равно огром ны . Даже опытная раб о чая группа на лучшем обор у довании секвен и рует в год не более 100000 п.н . в год . Если принять стоимость анализа ка ж дой пары оснований за доллар – весь геном человека может быть секвен и рован за 3000 лет , и обойдется его изучение в 3 милл и арда долларов . Сумма по нынешним временам вполне приемлемая хотя бы на слух , но вот время… Сейчас , правда , развиваются технологии секвенир о вания второго поколения – высоковольтный капиллярный электрофорез , ионизационная резонансная спектроскопия . Они уско ряют процесс на пор я док – стало быть , хватит трех веков (за те же деньги ). Обнадеживает , но не слишком. По всей видимости , программа "Геном человека " будет успешно в ы полнена лишь по технологиям третьего поколения , ныне существующих в зачаточном состоянии . К ним в частности , относится прямое чтение посл е довательности нуклеотидов с помощью сканирующей туннельной или атомной микроскопии . Сегодняшняя наука делает ставку именно на такие методы – иначе прогулка по человеческим хромосомам грозит затянуться на тыся челетия. Заключение И вот на глаза мне попалась журнальная заметка , датированная ма р том 2000 года , о том , что расшифрована последовательность ДНК 22-й ч е ловеческой хромосомы . Это первая наиболее полная расшифровка целой структуры в генетическом аппарате человека и – 1 /23 часть глобального проекта "Геном человека ". Впечатляют масштабы коллективного авторства – 216 ученых из Великобритании , США , Японии , Канады и Швеции . Только эта хромосома содержит более 20 генов , изменения в которых приводят к известным з аболеваниям человека , в частности (предположительно ), и один из генов , обусловливающих шизофрению . Для полного раскрытия генома человека трудиться еще придется долго . Однако , по мнению руководителя геномного проекта Фрэнсиса Коллинза , нынешнее достижение м ожно уже сравнить с "расщеплением атома или полетом на Луну ". Жуль Верн в своем романе "20 тысяч лье под водой " предполагал с о здание машины , позволяющей человеку изучать морские глубины . Теперь батискафами , изобретенными Жаком Ивом Кусто , пользуется весь м ир , с о вершенствуя знания о морской флоре и фауне . В 1990 году Гарри Гарриссон в романе "Спасательная шлюпка " описал создание сильных , здоровых , но генетически подавленных рабов . А теперь… Может человечеству стоит задуматься над другими последствиями расшиф ровки генома человека , кроме искоренения наследственных забол е ваний . Ведь не ровен час , когда они , эти последствия сами "свалятся нам на голову ". Вспоминая нацистские чистки , начитавшегося Ницше , Гитлера , исп ы тания Водородной бомбы , попытки Генриха Гиммлер а создать сверхчелов е ка , возникает вполне резонный вопрос : А ЧТО ДАЛЬШЕ ? Список литературы 1. Журнал "Техника Молодежи ". Разные материалы за 1999-2000 г. ; 2. 

© Рефератбанк, 2002 - 2017