Генетика

Центральная догма молекулярной биологии -- обобщающее наблюдаемое в природе правило реализации генетической информации: информация передаётся от нуклеиновых кислот к белку, но не в обратном направлении. Правило было сформулировано Френсисом Криком в 1958 году и приведено в соответствие с накопившимися к тому времени данными в 1970 году. Переход генетической информации от ДНК к РНК и от РНК к белку является универсальным для всех без исключения клеточных организмов, лежит в основе биосинтеза макромолекул. Репликации генома соответствует информационный переход ДНК > ДНК. В природе встречаются также переходы РНК > РНК и РНК > ДНК (например у некоторых вирусов), а также изменение конформации белков, передаваемое от молекулы к молекуле. Транскрипция и трансляция. Условно весь процесс транскрипции и трансляции можно отобразить в cхеме: Транскрипция представляет собой процесс воспроизведения информации, хранящейся в ДНК, в виде одноцепочной молекуле и РНК (информационной РНК, которая переносит информацию о строении белка из ядра клетки в цитоплазму клетки к рибосомам). Этот процесс проявляется в синтезе молекулы и РНК по матрице ДНК. Молекула и РНК состоит и нуклеотидов, каждый из которых включает в себя остаток фосфорной кислоты сахар рибозу и одно из четырёх азотистых оснований (А, Г, Ц и У-урацил вместо Т-тюлина). В основе синтеза и РНК лежит принцип комплиментарности, т.е. против А в одной цепочке ДНК располагается У в и РНК, а против Г в ДНК - Ц в и РНК (см. рис. Транскрипция- на предыдущей странице), таким образом, и РНК является комплиментарной копией ДНК или её определённого участка, и содержит информацию, кодирующую аминокислоту или белок. Каждая аминокислота в ДНК и РНК шифруется последовательностью из 3-х нуклеотидов, т.е. - триплетом, который получил название кодонЕсли в транскрипции узнавание двух молекул друг другом проявляется только в принципе комплиментарности, то в трансляции помимо комплиментарности (временное объединение кодона и РНК и антикодона РНК (транспортной РНК, которая подносит аминокислоты нужные для синтеза белка, к месту синтеза - рибосома - см. рис. Транскрипция) молекулярное узнавание проявляется в процессе присоединения аминокислоты к тРНК с помощью фермента кодазы. Дело в том, что молекула тРНК состоит из головки, включающей в себя антиэАОК-триплет, состоящий из последовательности трёх нуклеотидов, и хвостика имеющего определённую форму. Сколько существует видов антикозонов тРНК, столько и существует форм хвостиков, и каждому антикозону соответствует своя форма хвостика в тРНК. Сколько существует форм хвостиков, столько существует видов форм фермента кодазы, который присоединяет аминокислоты к хвостику, а форма каждой кодазы подходит только к форме определённой аминокислоты. Т.о., тРНК носит с собой информацию не только в п последовательности нуклеотидов в антикозоне но и в форме хвостика молекулы. А основная передача информации здесь заключается в воспроизведении последовательности аминокислот в белке, которую подсказывает ферменту, кодирующему белок и РНК

14. Требования, предъявляемые к материальному субстрату, ответственному за несение генетической информации. Цистрон-регулятор, цистрон-оператор, структурные цистроны

Требования, предъявляемые к субстрату наследственности:

-Способность к самовоспроизведению - вещество должно обеспечить преемственность свойств в поколениях

-Уникальность - вещество должно иметь структуру, объясняющую существование миллионов видов и неповторимость.

-Специфичность - структура вещества должна предполагать синтез специфических белков.

Цистрон-регулятор - ген, контролирующий синтез белка-репрессора, родственного к структуре оператора.

Цистрон-оператор - функциональный ген, расположенный в начале оперона, включающий и выключающий структуры генов.

Структурные цистроны - расположены рядом и образуют оперон. Они программируют синтез ферментов, участвующих в последовательно идущих ферментативных реакциях одного метаболического цикла.

Интроны- инертные участки ДНК или РНК. Не несет наследственной информации.

Экзоны - неинертные участки ДНК или РНК. Участки гена несущие генетическую информацию, представленные м-РНК, кодирующие первичную структуру белка.

Сплайсинг- процесс синтеза м-РНК, проходящий при участии малых ядер РНК.удаление интронов и соединение оставшихся экзонов в последовательности, переписанной с экзонов.

Спейсеры - небольшие нетранскрибируемые участки ДНК, которые разделяют многочисленные повторы генов.

Рекон - наименьшая единица рекомбинации.

Кодон - триплет кодирующий аминокислоту.

Оперон - блок, образованный структурными генами. Единица считывания наследственной информации.

Оперон у прокариот: состоит из структурного цистрона и цистрона-оператора.

Оперон у эукариот:

- Плейотропная активация (много генов-регуляторов).

- Зависимость от гормонов (тестостерон, эстроген).

- Роль белков хроматина (гистоновых, нуклеосомных, негистоновых - инактиваторов).

- Поэтапная регуляция (сплайсинг и мультимерная организация белка).

15. Общие принципы генетического контроля экспрессии генов. Роль генетических факторов в регуляции генной активности и негенетический контроль (гормоны, белки гистоны, синтез неактивных белков, накопление и - РНК в цитоплазме)

Большая часть генома находится в клетках организма в неактивном, репрессированном, состоянии, и только 7--10% генов дерепрессированы, т.е. активно транскрибируются. Спектр функционирующих генов зависит от тканевой принадлежности клетки, от периода ее жизненного цикла и стадии индивидуального развития организма. Основная масса генов, активно функционирующих в большинстве клеток организма на протяжении онтогенеза, -- это гены, которые обеспечивают синтез белков общего назначения (белки рибосом, гистоны, тубулины и т.д.), тРНК и рРНК. Транскрибирование этих генов обеспечивается соединением РНКполимеразы с их промоторами и, видимо, не подчиняется каким-либо другим регулирующим воздействиям. Такие гены называют конститутивными. Другая группа генов, детерминирующих синтез специфических продуктов, в своем функционировании зависит от различных регулирующих факторов, ее называют регулируемыми генами. Их активное функционирование, скорость и продолжительность транскрипции регулируются путем стимуляции или запрещения соединения РНК-полимеразы с промоторной областью гена.

Общие принципы генетического контроля экспрессии генов

Важнейшим фактором регуляции генной активности являются элементы генома, отвечающие за синтез регуляторных белков,-- гены-регуляторы. Соединяясь с определенными нуклеотидными последовательностями ДНК, предшествующими структурной части регулируемого гена,--операторами, белки-регуляторы способствуют или препятствуют соединению РНК-полимеразы с промотором. Если белок-регулятор взаимодействует с оператором, занимающим часть промотора или расположенным между ним и структурной частью гена, то это не дает возможности РНК-полимеразе соединиться с промоторной последовательностью и осуществить транскрипцию. Такой белок называют репрессором, и в этом случае осуществляется негативный контроль экспрессии гена со стороны гена-регулятора .Если промотор обладает слабой способностью соединяться с РНК-полимеразой, а ему предшествует область, узнаваемая белком-регулятором, присоединение последнего непосредственно перед промотором к молекуле ДНК облегчает связывание РНК-полимеразы с промотором, вслед за чем следует транскрипция. Такие белки называют активаторами (или апоиндукторами), а контроль экспрессии гена со стороны гена-регулятора -- позитивным

Роль негенетических факторов в регуляции генной активности

Наряду с генетическими факторами в регуляции экспрессии генов на стадии транскрипции принимают участие негенетические факторы -- эффекторы. К ним относят вещества небелковой природы, взаимодействующие с белками-регуляторами и изменяющие их способность соединяться с нуклеотидными последовательностями операторов. В зависимости от результатов такого взаимодействия среди эффекторов различают индукторы, запускающие транскрипцию, и корепрессоры, препятствующие ей. Индукторы могут инактивировать белки-репрессоры, которые перестают соединяться с операторами, или повышать способность белков-активаторов (апоиндукторов) к связыванию с ними, что облегчает соединение РНК-полимеразы с промотором. В результате такого воздействия на регуляторные белки регулируемые гены активно транскрибируются. Корепрессоры могут модифицировать апоиндукторы, теряющие при этом способность соединяться с операторами, или активировать репрессоры, находящиеся в неактивном состоянии. Следствием такого взаимодействия эффектора с белками-регуляторами является невозможность соединения РНКполимеразы с промотором и отсутствие транскрипции.

У многих эукариотических генов, кодирующих белки и транскрибируемых РНК-полимеразой II, в ДНК имеется несколько областей, которые узнаются разными белками-регуляторами. Одной из них является область, расположенная вблизи промотора. Она включает около 100 пар нуклеотидов, в том числе ТАТАблок, располагающийся на расстоянии 25 пар нуклеотидов от точки начала транскрипции. Установлено, что для успешного присоединения РНК-полимеразы II к промотору необходимо предварительное соединение с ТАТА-блоком особого белка -- фактора транскрипции -- с образованием стабильного транскрипционного комплекса. Именно этот комплекс ДНК с белком узнается РНК-полимеразой II. Последовательности нуклеотидов, примыкающие к ТАТА-блоку, формируют требуемый для транскрипции элемент, расположенный перед промотором. Другая область, играющая важную роль в регуляции активности эукариотических генов, располагается на большом расстоянии от промотора (до нескольких тысяч пар нуклеотидов) и называется энхансером (от англ. enhance -- усиливать). И энхансер, и препромоторный элемент эукариотических генов содержат серию коротких нуклеотидных последовательностей, которые связываются с соответствующими регуляторными белками. В результате взаимодействия этих белков происходит включение или выключение генов. Особенностью регуляции экспрессии эукариотических генов является также существование белков-регуляторов, которые способны контролировать транскрипцию многих генов, кодирующих, возможно, другие белки-регуляторы. В связи с этим некоторые (главные) белки-регуляторы обладают координирующим влиянием на активность многих генов и их действие характеризуется плейотропным эффектом . Примером может служить существование белка, который активирует транскрипцию нескольких специфических генов, определяющих дифференцировку предшественников жировых клеток. Регуляция экспрессии многих генов эукариот одним белком-регулятором

Ввиду того что в геноме эукариот имеется много избыточной ДНК, а в каждой клетке организма транскрибируется всего 7--10% генов, логично предположение о том, что у них преобладает позитивный генетический контроль, при котором активация небольшой части генома оказывается более экономичной, нежели репрессия основной массы генов. Несомненной особенностью регуляции транскрипции у эукариот является подчиненность этих процессов регулирующим влияниям со стороны гормонов организма. Последние часто играют роль индукторов транскрипции. Так, некоторые стероидные гормоны обратимо связываются особыми белками-рецепторами, образуя с ними комплексы. Активированный гормоном рецептор приобретает способность соединяться со специфическими участками хроматина, ответственными за регуляцию активности генов, в которых рецепторы узнают определенные последовательности ДНК. Примером участия гормонов в регуляции активности определенных генов может служить влияние тестостерона на развитие тканей организма по мужскому типу при наличии специфического белка-рецептора. Отсутствие последнего при мутации соответствующего гена не дает возможности гормону проникнуть в ядра клеток-мишеней и обеспечить включение определенного набора генов: развивается синдром тестикулярной феминизации, или синдром Морриса .

Следующая особенность регуляции генной активности у эукариот связана с образованием стойкого комплекса ДНК с белками -- хроматина .Ведущая роль в компактизации ДНК принадлежит гистонам, поэтому они, несомненно, участвуют и в процессах регуляции генной активности.. Непременным условием для осуществления транскрипции у эукариот является предварительная декомпактизация хроматина на соответствующем участке, где временно утрачивается связь с Hi-гистонами и несколько ослабляется связь с нуклеосомными гистонами. Правда, нуклеосомная организация хроматина не утрачивается даже в ходе транскрипции, однако контакт ДНК и негистоновых белков становится возможным и происходит дерепрессия гена.

16. Изменчивость и ее формы. Понятие о фенотипической изменчивости. Фенокопии

Изменчивостью называется свойство живых организмов приобретать изменения и существовать в различных вариантах. С генетической точки зрения изменчивость- это результат реакции генотипа на влияние условий внешней среды в процессе индивидуального развития организма. В зависимости от механизма возникновения , характера изменений признаков различают несколько типов изменчивости. Прежде всего, следует выделить изменчивость наследственную (мутационная, комбинативая) и ненаследственную ( фенотипическая).

Модификационная изменчивость

Благодаря влиянию факторов среды на формирование фенотипа даже генетически идентичные организмы в различных условиях развития и существования в большей или меньшей степени различаются по своим признакам. Фенотипические изменения, возникающие на основе одного и того же генотипа в разных условиях его реализации, называют модификациями. Примером модификаций могут служить изменения содержания жира в молоке животных или массы тела в зависимости от их питания, различия, наблюдаемые у генетически идентичных монозиготных близнецов или потомков одного растения, полученных путем вегетативного размножения, но развивавшихся в разных условиях среды. Модификации отдельного признака или свойства, формируемого данным генотипом, образуют непрерывный ряд. Частота встречаемости каждого варианта в таком вариационном ряду различна. Чаще обнаруживаются средние значения признака. Чем дальше признак отстоит от среднего значения, тем реже он наблюдается. Так как фенотипическое проявление наследственной информации может модифицироваться условиями среды, в генотипе организма запрограммировано не конкретное значение отдельных его характеристик, а лишь возможность их формирования в определенных пределах, называемых нормой реакции. Таким образом, норма реакции представляет собой пределы модификационной изменчивости признака, допустимой при данном генотипе. Некоторые признаки характеризуются широкой нормой реакции. Как правило, это количественные признаки, контролируемые полигенами (масса тела, жирность молока, пигментация кожи), другие свойства характеризуются узкой нормой реакции и слабо или почти не модифицируются в разных условиях (цвет глаз, группа крови). Фенотипическое проявление информации, заключенной в генотипе, характеризуется показателями пенетрантности и экспрессивности. Пенетрантностъ отражает частоту фенотипического проявления имеющейся в генотипе информации. Она соответствует проценту особей, у которых доминантный аллель гена проявился в признак, по отношению ко всем носителям этого аллеля. Неполная пенетрантность доминантного аллеля гена может быть обусловлена системой генотипа, в которой функционирует данный аллель и которая является своеобразной средой для него. Взаимодействие неаллельных генов в процессе формирования признака может привести при определенном сочетании их аллелей к непроявлению доминантного аллеля одного из них. В рассмотренных выше примерах наличие в генотипе одного из генов в рецессивном гомозиготном состоянии не давало возможности проявиться доминантному аллелю другого гена (альбинизм, бомбейский феномен). Известны также случаи, когда фенотипическому проявлению определенного аллеля препятствуют факторы окружающей организм среды. Например, у китайской примулы развитие или отсутствие красной окраски цветков зависит от температуры и влажности воздуха: при t = 5--20°С -- красные цветы, при t = 30--35°С и повышенной влажности -- белые. У кроликов гималайской окраски темная пигментация шерсти, развивающаяся в обычных условиях лишь на отдельных участках тела, при выращивании их при пониженной температуре может быть получена на всем теле. Экспрессивность также является показателем, характеризующим фенотипическое проявление наследственной информации. Она характеризует степень выраженности признака и, с одной стороны, зависит от дозы соответствующего аллеля гена при моногенном наследовании или от суммарной дозы доминантных аллелей генов при полигенном наследовании, а с другой -- от 235 факторов среды. Примером служит интенсивность красной окраски цветков ночной красавицы, убывающая в ряду генотипов АА, Аа, аа, или интенсивность пигментации кожи у человека, увеличивающаяся при возрастании числа доминантных аллелей в системе полигенов от 0 до 8 . Влияние средовых факторов на экспрессивность признака демонстрируется усилением степени пигментации кожи у человека при ультрафиолетовом облучении, когда появляется загар, или увеличением густоты шерсти у некоторых животных в зависимости от изменения температурного режима в разные сезоны года.

В наследственной патологии человека большую роль играют также фенокопии - модификационные изменения. Они обусловлены тем, что в процессе развития под влиянием внешних факторов признак, зависящий от определенного генотипа, может измениться; при этом копируются признаки, характерные для другого генотипа. Таким образом, фенокопия - ненаследственное изменение фенотипа организма, вызванное действием определённых условий среды и копирующее проявление какого-либо известного наследственного изменения - мутации - у этого организма.

В развитии фенокопий могут играть роль разнообразные факторы среды - климатические, физические, химические, биологические и социальные. Врожденные инфекции (краснуха, токсоплазмоз, сифилис) также могут стать причиной фенокопий ряда наследственных болезней и пороков развития.

17. Мутации в зависимости от причины возникновения (спонтанные, индуцированные, летальные, полулетальные), значение, примеры. Мутагенные факторы. Канцерогенез

Мутации, снижающие жизнедеятельность, называются полулетальными (почти все наследственные заболевания человека). Мутации, не совместимые с жизнью, носят название летальных (окраска у мышей, желтая УУ - летальная). Однако некоторая часть мутаций может оказаться полезной. Такие мутации являются материалом для прогрессивной эволюции, а также для селекции ценных пород домашних животных и культурных растений.

Мутации делят на спонтанные и индуцированные. Спонтанными называют мутации, возникшие под влиянием неизвестных природных факторов, чаще всего как результат ошибок при репликации ДНК (мутация цитозиновых остатков. После дезаминирования метилцитозин изменяется на тимин. Последующее копирование этого участка повторяет ошибку или удаляет ее либо удваивает и мутирует в новый фрагмент). Индуцированные мутации вызваны специально направленными воздействиями, повышающими мутационный процесс (могут носить направленный характер, например при получении полиплоидных форм растений).

Наследственные различия у микроорганизмов, растений, животных и человека, в том числе наследственные болезни и уродства, появились в результате мутаций. Если спонтанные мутации -- явление довольно редкое, то применение мутагенных агентов значительно повышает частоту их.

Установлено, что любые факторы внешней и внутренней среды, которые могут нарушить гомеостаз, способны вызвать мутацию. Главнейшими мутагенами являются: химические соединения, различные виды излучений, биологические факторы.

Химический мутагенез. В 1934 г. М. Е. Лобашев отметил, что химические мутагены должны обладать тремя качествами: высокой проникающей способностью; свойством изменять коллоидное состояние хромосом; определенным действием на состояние гена или хромосомы.

Приоритет открытия химических мутагенов принадлежит советским исследователям. В 1933 г. В. В. Сахаров получил мутации путем действия йода, в 1934 г. М. Е. Лобашев -- применяя аммоний. В 1946 г. советский генетик И. А. Рапопорт обнаружил сильное мутагенное действие формалина и этиленимина, а английская исследовательница Ш. Ауэрбах -- иприта. Некоторые мутагены усиливают мутационный эффект в сотни раз по сравнению со спонтанным; они получили название супермутагенов, т. е. оказывающих сверхмутагенное действие. Многие из супермутагенов, в частности использованные для получения высокоактивных штаммов микроорганизмов -- продуцентов антибиотиков, открыл И. А. Рапопорт.

Химические мутагены используются для получения мутантных форм плесневых грибов, актиномицетов, бактерий, вырабатывающих в большом количестве пенициллин, стрептомицин и другие антибиотики. Химическими мутагенами повышена ферментативная активность грибов, применяемых для спиртового брожения. Разработаны десятки перспективных мутаций культурных растений.

В экспериментах мутации индуцируются разнообразными химическими агентами. Этот факт свидетельствует о том, что в естественных условиях подобные факторы также служат причиной появления спонтанных мутаций у различных химических веществ и даже некоторых лекарственных препаратов. Это говорит о необходимости изучения мутагенного действия новых фармакологических веществ, пестицидов и других химических соединений, все шире используемых в медицине и сельском хозяйстве.

Радиационный мутагенез. Индуцированные мутации, вызванные облучением, впервые были экспериментально получены советскими учеными Г. А. Надсоном и Г. С. Филипповым, которые в 1925 г. наблюдали мутационный эффект на дрожжах после воздействия на них ионизирующей радиации. В 1927 г. американский генетик Г. Меллер показал, что рентгеновы лучи могут вызвать множество мутаций у дрозофилы, а позже мутагенное воздействие рентгеновых лучей подтвердилось на многих объектах. В дальнейшем было установлено, что наследственные изменения обусловливаются также всеми другими видами проникающей радиации.

Для искусственных мутаций часто используются гамма-лучи, источником которых в лабораториях обычно является радиоактивный кобальт. В последнее время для индуцирования мутаций все шире применяются нейтроны, обладающие большой проникающей способностью. При этом возникают как разрывы хромосом, так и точковые мутации. Изучение мутаций, связанных с действием нейтронов и гамма-лучей, представляет собой интерес по двум причинам. Во-первых, установлено, что генетические последствия атомных взрывов связаны прежде всего с мутагенным влиянием ионизирующей радиации. Во-вторых, физические методы мутагенеза применяются для получения ценных в хозяйственном отношении сортов культурных растений.

Облучение индуцирует как генные мутации, так и структурные хромосомные перестройки всех описанных выше типов: нехватки, инверсии, удвоения и транслокации, т.е. все структурные изменения, связанные с разрывом хромосом. Причиной этого являются некоторые особенности процессов, происходящих в тканях при действии излучений. Излучения вызывают в тканях ионизацию, в результате которой одни атомы теряют электроны, а другие присоединяют их: образуются положительно или отрицательно заряженные ионы.

Подобный процесс внутримолекулярной перестройки, если он происходил в хромосомах, может привести к их фрагментации.

В последнее время доказано, что связь между облучением и мутационными изменениями может носить и непрямой характер. По-видимому, энергия излучения может вызвать в среде, окружающей хромосому, химические изменения, которые ведут к индуцированию генных мутаций и структурных перестроек в хромосомах. Так, у бактерий и грибов можно увеличить частоту мутаций, даже не облучая их, а лишь воспитывая на облученной среде. Следовательно, мутации могут индуцироваться и пострадиационными химическими изменениями, происшедшими в среде.

Одним из самых опасных последствий облучения является образование свободных радикалов ОН или НО2 из находящейся в тканях воды. Эти радикалы обладают высокой реактивной способностью и могут расщеплять многие органические вещества, в том числе нуклеиновые кислоты.

Применение атомной энергии в генетике и селекции позволит создать новые методы изменения наследственности растений, животных и микроорганизмов, глубже понять процессы генетической адаптации организмов.

Другие мутагенные факторы. Первые исследователи мутационного процесса недооценивали роль факторов внешней среды в явлениях изменчивости. В начале XX в. некоторые исследователи даже считали, что внешние воздействия не имеют никакого значения для процесса мутирования. В дальнейшем эти представления были отвергнуты благодаря искусственному воспроизведению мутаций с помощью различных факторов внешней среды. В настоящее время можно предполагать, что нет таких факторов внешней среды, которые в какой-то мере не сказались бы на изменении наследственных свойств. Из физических факторов на ряде объектов установлено мутагенное действие ультрафиолетовых лучей, фотонов света и температуры. Повышение температуры увеличивает число мутаций. Однако температура относится к числу тех агентов, в отношении которых у организмов существуют защитные механизмы, вследствие чего гомеостаз нарушается незначительно. В связи с этим температурные воздействия дают небольшой мутагенный эффект по сравнению с другими агентами.

Найдены биологические мутагены, к которым относятся вирусы и токсины ряда организмов, особенно плесневых грибов. В 1958 г. советский генетик С. И. Алиханян показал, что вирусы вызывают мутации у актиномицетов. Далее в ряде отечественных и зарубежных лабораторий было установлено появление большого числа хромосомных аберраций в культурах микроорганизмов и клеток животных и человека, пораженных вирусами. Оказалось также, что вирусы вызывают мутации у растений и животных. При этом мутагенным действием обладают не только те вирусы, к которым восприимчив организм, в котором они размножаются и вызывают заболевание, но и непатогенные для него вирусы. Так, у дрозофилы получен ряд мутаций действием вируса лейкоза мышей. По-видимому, причина кроется в способности их глубоко изменять метаболизм клетки. Таким образом, роль вирусов в природе заключается в том, что они являются не только возбудителями многих болезней растений, животных и человека, но и виновниками многих спонтанных мутаций.

Канцерогенез - сложный патологический процесс зарождения и развития опухоли.

Теории канцерогенеза.

1). Теория раздражения (1863 г. Р. Вирхов): опухоли возникают вследствие длительного хронического раздражения (механического, химического, термического, эндокринного, нейрогенного и т. д.); примеры: развитие рака верхней челюсти под влиянием зубных протезов или хронического гайморита

2). Эмбриональная теория Конгейма: опухоли возникают из зародышевых клеток или их скопления, которые могут развиваться (в различных участках эмбриона) в избыточном количестве, в большем, чем нужно для постройки части органа. Некоторые оставшиеся неупотребленными клетки могут со временем превратиться в источник опухолевого роста. Происходит это под влиянием внутренних или внешних раздражающих факторов. Примеры: развитие рака челюсти из эпителиальных клеток Маляссэ.

3). Инфекционно-вирусогенетическая теория. Она поэтапно разрабатывалась П. И. Кубасовым (1889), Д. И. Ивановским (1892), К. Rous (1911), R. Shope (1933), F. Bitther (1936) и др. К настоящему времени описано уже свыше ста вирусов, являющихся бесспорно онкогенными (способными вызвать опухоли у различных животных). Они делятся на две группы: содержащие РНК и содержащие ДНК.

Особенности онковирусов:

1) способны стимулировать рост клеток, в которых они размножаются;

2) обладают некоторым тропизмом к определенным тканям, например -- эпителию;

3) оставаясь в латентном состоянии, действуют синергически (совместно) с канцерогенными веществами, вызывая наиболее злокачественные опухоли;

4) внедряясь в клетку, онковирус изменяет ее генетически, чем и обусловливается его онкогенность.

Канцерогенные вещества

Химические и биологические вещества, способные вызвать злокачественное новообразование, называют канцерогенными. Канцерогены можно разделить на химические, физические, биологические; к числу химических канцерогенов относят вещества органического происхождения (полициклические углеводороды), неорганического происхождения (мышьяк, хроматы), а также эндогенные вещества (желчные кислоты, гормоны). К серии физических канцерогенных факторов относят: все виды лучей ионизирующего излучения, ультрафиолетовые лучи (например, солнечная радиация), хроническую и однократную травму (ушибы, отморожения, ожоги). К биологическим канцерогенам относятся различного рода вирусы.

Механизм действия канцерогенов изучен недостаточно, однако есть основания предполагать, что они, соединяясь с белками, нарушают обмен веществ в зоне приложения и во всем организме; особенно страдают структуры РНК и ДНК. Доказательством их общетоксического действия является то, что опухоль может возникнуть не только в месте приложения канцерогена, но и в отдаленных участках организма.

18. Мутации на хромосомном уровне организация наследственного материала. Хромосомные аберрации, их значение для биологии и медицины

Хромосомные мутации -- структурные изменения хромосом, возникающие вследствие перемещения или выпадения хромосомных сегментов после разрывов и соединения концов. Структурные перестройки могут происходить как в пределах одной хромосомы, так и между гомологичными и негомологичными хромосомами. Хромосомные мутации могут быть спонтанными и индуцированными. Утрата генетически инертных гетерохроматиновых участков может не влиять на фенотипические проявления, утрата эухроматиновых участков хромосомы приводит к нарушению генного баланса и проявляется в фенотипе различными патологическими признаками (синдром «крика кошки» связан с делецией длинного плеча 5-й хромосомы).

Хромосомные аберрации возникают в результате перестройки хромосом. Они являются следствием разрыва хромосомы, приводящего к образованию фрагментов, которые в дальнейшем воссоединяются, но при этом нормальное строение хромосомы не восстанавливается. Различают четыре основных типа хромосомных аберраций: нехватки, удвоения (дупликации), инверсии, транслокации.

Нехватки возникают вследствие потери хромосомой того или иного участка. Нехватки в средней части хромосомы приводят организм к гибели, утрата незначительных участков вызывает изменение наследственных свойств. Так, при нехватке участка одной из хромосом у кукурузы ее проростки лишены хлорофилла.

Удвоение (дупликация) связано с включением лишнего, дублирующего участка хромосомы. Это также ведет к проявлению новых признаков. Так, у дрозофилы ген полосковидных глаз (вместо круглых) обусловлен удвоением участка в одной из хромосом.

Инверсии наблюдаются при разрыве хромосомы и переворачивании оторвавшегося участка на 180°. Если разрыв произошел в одном месте, оторвавшийся фрагмент прикрепляется к хромосоме противоположным концом, если же в двух местах, то средний фрагмент, перевернувшись, прикрепляется к местам разрыва, но другими концами. Н. П. Дубинин установил, что инверсии широко распространены, в частности у дрозофил, взятых из природы, и, по-видимому, могут играть роль в эволюции видов.

Транслокации возникают в тех случаях, когда участок хромосомы из одной пары прикрепляется к негомологичной хромосоме, т. е. хромосоме из другой пары Транслокация участка одной из хромосом (21-й) известна у человека; оно может быть причиной болезни Дауна Большинство крупных хромосомных аберраций в зиготах у человека приводит к тяжелым аномалиям, несовместимым с жизнью, либо к гибели зародышей еще во время внутриутробного развития.

19. Цитоплазматическая наследственность. Наследственность и среда

Наличие некоторого количества наследственного материала в цитоплазме в виде кольцевых молекул ДНК митохондрий и пластид, а также других внеядерных генетических элементов дает основание специально остановиться на их участии в формировании фенотипа в процессе индивидуального развития. Цитоплазматические гены не подчиняются менделевским закономерностям наследования, которые определяются поведением хромосом при митозе, мейозе и оплодотворении. В связи с тем, что организм, образуемый вследствие оплодотворения, получает цитоплазматические структуры главным образом с яйцеклеткой, цитоплазматическое наследование признаков осуществляется по материнской линии. Такой тип наследования впервые описан в 1908 г. К.Корренсом в отношении пестрых листьев у некоторых растений. Как было установлено позднее, развитие этого признака обусловлено мутацией, возникающей в ДНК хлоропластов и нарушающей синтез хлорофилла в них. Размножение в клетках нормальных (зеленых) и мутантных(бесцветных) пластид и последующее случайное распределение их между дочерними клетками приводят к появлению отдельных клеток, совершенно лишенных нормальных пластид. Потомство этих клеток образует обесцвеченные участки на листьях. Фенотип потомства, таким образом, зависит от фенотипа материнского растения. У растения с зелеными листьями потомство абсолютно нормально. У растения с бесцветными листьями потомство имеет такой же фенотип. У материнского растения с пестрыми листьями потомки могут иметь все описанные фенотипы по данному признаку. При этом внешний вид потомства не зависит от признака отцовского растения.

20. Генетика человека, как наука, и предмет ее изучения, задачи. Человек, как специфический объект генетических исследований. Методы изучения генетики человека: генеалогический, цитогенетический, близнецовый, биохимический, популяционно-статистический, дерматоглифический. Примеры

Генетика изучает закономерности наследственности и изменчивости, которые относятся к основным свойствам живой материи, всех организмов. Генетика как наука развилась в связи с практическими потребностями. Задачи генетики:

1. изучение способов хранения генетической информации (у вирусов, бактерий, растений, животных и человека);

2. анализ способов передачи наследственной информации от одного поколения клеток и организмов к другому;

3. выявление механизмов и закономерностей реализации генетической информации в процессе онтогенеза и влияние на них условий среды обитания;

4. изучение закономерностей и механизмов изменчивости и ее роли в приспособлении организмов и эволюционном процессе;

5. изыскание способов исправления поврежденной генетической информации.

Человек как вид обладает целым рядом особенностей, не позволяющих применять гибридологический метод для изучения его наследственности и изменчивости.

1) у человека не может быть проведено искусственного направленного скрещивания в интересах исследователя;

2) низкая плодовитость делает невозможным применение статистического подхода при оценке немногочисленного потомства одной пары родителей;

3)редкая смена поколений, происходящая в среднем через 25 лет, при значительной продолжительности жизни дает возможность одному исследователю наблюдать не более 3-4 последовательных поколений;

4) изучение генетики человека затрудняется наличием в его геноме большого числа групп сцепления генов( 23 у женщин, 24 у мужчин), а также высокой степенью фенотипического полиморфизма, связанного с влиянием среды. Генетиками разработаны приемы, позволяющие изучать наследование и изменчивость признаков у человека, несмотря на перечисленные ограничения.

1)Невозможность направленного скрещивания, проводимого в интересах исследования, и малочисленность потомства, получаемого от каждой родительской пары, компенсируются подбором в популяции семей с интересующим генетика признаком в количестве, достаточном для проведения статистического анализа потомства.

2) Ограниченность числа поколений, которые может наблюдать один генетик, компенсируется возможностью подбора и регистрации последовательных поколений семей с интересующим признаком многими поколениями исследователей.

3)Существенно облегчается генетический анализ у человека благодаря высокой степени изученности его фенотипа методами морфологии, физиологии, биохимии, иммунологии, клиники.

4) Большие перспективы в изучении наследственности и изменчивости у человека открываются в связи с применением ранее используемых и новых методов генетических исследований.

Методы изучения генетики человека:

1) Генеалогический метод.

В его основе лежит составление и анализ родословных. Широко применяют с древних времен и до наших дней. Родословные человека составлялись на протяжении многих столетий в отношении царствующих семей в Европе и Азии. Как метод изучения генетики человека генеалогический метод стали применять с начала 20 столетия, когда выяснилось, что анализ родословных, в которых прослеживается передача из поколения в поколение какого-то признака(заболевания), может заменить собой фактически неприменимый в отношении человека гибридологический метод. С помощью генеалогического метода может быть установлена наследственная обусловленность изучаемого признака, а также тип его наследования. Аутосомно-доминантный тип - равная вероятность встречаемости данного признака как у мужчин, так и у женщин. Если анализируется признак, не влияющий на жизнеспособность организма, то носители доминантного признака могут быть как гомо-, так и гетерозиготами. В случае доминантного наследования какого-то патологического признака (заболевания) гомозиготы, как правило, нежизнеспособны, а носители этого признака - гетерозиготы. Анализируя родословные, необходимо помнит о возможности неполного пенетрирования доминантного аллеля, обусловленной взаимодействием генов или факторами среды. Многие болезни, наследуемые по доминантному типу, развиваются лишь в определенном возрасте (хорея Гентингтона клинически проявляется к 35-40 годам; Поздно проявляется поликистоз почек). Первое описание родословной с данным типом наследования аномалии у человека было дано в 1905г., в ней прослеживается передача в ряду поколений брахидактилии. Аутосомно-рецессивный тип - рецессивные признаки проявляются фенотипически лишь у гомозигот по рецессивным аллелям. Как правило, обнаруживаются у потомков фенотипически нормальных родителей - носителей рецессивных аллелей. Вероятность появления рецессивного потомства в этом случае - 25%. Если один из родителей имеет рецессивный признак, то вероятность проявления его в потомстве будет зависеть от генотипа другого родителя. У рецессивных родителей все потомство унаследует соответствующий рецессивный признак. Признак проявляется далеко не в каждом поколении. Вероятность появления рецессивного потомства возрастает в близкородственных браках, где оба родителя могут являться носителями одного и того же рецессивного аллеля, полученного от общего предка. Примеры: родословная семьи с псевдопертрофической прогрессивной миопатией, в которой часты близкородственные браки. Доминантное Х-сцепленное наследование - гены, расположенные в Х-хромосоме и не имеющий аллелей в У-хромосоме, представлены в генотипах мужчин и женщин в разных дозах. При доминантном Х-сцепленном наследовании признак чаще встречается у женщин в связи с большей возможностью получения ими соответствующего аллеля либо от отца, либо от матери. Женщины с доминантным признаком передают его в равной степени дочерям и сыновьям, а мужчины - только дочерям. Сыновья никогда не наследуют от отцов доминантного Х-сцепленного признака. Пример: описанная в 1925 г. Родословная с фолликулярным кератозом - кожным заболеванием, сопровождающимся потерей ресниц, бровей, волос на голове. Характерным является более тяжелое течение заболевания у мужчин, чем у женщин, которые чаще всего являются гетерозиготами. При некоторых заболеваниях наблюдается гибель мужчин-гемизигот на ранних стадиях онтогенеза. Тогда в родословных среди пораженных должны быть только женщины, в потомстве которых отношение пораженных дочерей, здоровых дочерей и здоровых сыновей равно 1:1:1. Пример: пигментный дерматоз. Рецессивное Х-сцепленное наследование - преимущественное проявление признака у гемизиготных мужчин, которые наследуют его от матерей с доминантным фенотипом, являющихся носительницами рецессивного аллеля. Как правило, признак наследуется мужчинами через поколение от деда по материнской линии к внуку. У женщин он проявляется лишь в гомозиготном состоянии, вероятность чего возрастает при близкородственных браках. Примеры: гемофилия, дальтонизм. У-сцепленное наследование (голандрическое) - обнаруживается лишь у мужчин и передается по мужской линии из поколения в поколение от отца к сыну. Примеры: гипертрихоз ушной раковины.

2) Цитогенетический метод.

Основан на микроскопическом изучении хромосом в клетках человека. Широко применяется с 1956 г., когда Дж. Тийо и А. Леван, предположив новую методику изучения хромосом, установили, что в кариотипе человека 46, а не 48 хромосом, как считали ранее. Современный этап в применении цитогенетического метода связан с разработанным в 1969 г. Т. Касперсоном методом дифференциального окрашивания хромосом, который расширил возможности цитогенетического анализа, позволив точно идентифицировать хромосомы по характеру распределения в них окрашиваемых сегментов. Применение позволяет изучать нормальную морфологию хромосом, определять генетический пол организма, диагностировать различные хромосомные болезни, связанные с изменением числа хромосом или с нарушением их структуры, позволяет изучать процессы мутагенеза на уровне хромосом и кариотипа, предупредить появление потомства с грубыми нарушениями развития. Материал - клетки человека, получаемые из разных тканей, - лимфоциты периферической крови, клетки костного мозга, фибробласты, клетки опухолей и эмбриональных тканей и др. Чаще используют лимфоциты периферической крови (легкодоступны). В норме эти клетки не делятся, однако специальная обработка их культуры фитогемагглютинином возвращает их в митотический цикл. Накопление делящихся клеток в стадии метафазы, когда хромосомы максимально спирализованы и хорошо видны в микроскоп, достигается обработкой культуры колхицином и колцемидом, разрушающим веретено деления и препятствующим расхождению хроматид. Экспресс-метод выявляющий изменение числа половых хромосом - метод определения полового хроматина в неделящихся клетках слизистой оболочки щеки.

3) Близнецовый метод.

Заключается в изучении закономерностей наследования признаков в парах одно- и двуяйцевых близнецов. Предложен в 1875 г. Гальтоном первоначально для оценки роли наследственности и среды в развитии психических свойств человека. В настоящее время широко применяется в изучении наследственности и изменчивости у человека для определения соотносительной роли наследственности и среды в формировании различных признаков, как нормальных, так и патологических. Он позволяет выявить наследственный характер признака, определить пенетрантность аллеля, оценить эффективность действия на организм некоторых внешних факторов (лекарственных препаратов, обучения, воспитания). Суть заключается в сравнении проявления признаков в разных группах близнецов при учете сходства или различия их генотипов. Монозиготные близнецы (из 1 яйцеклетки) генетически идентичны, т.к. имеют 100% общих генов. Поэтому среди них наблюдается высокий процент конкордантных пар, в которых признак развивается у обоих близнецов. Сравнение монозиготных близнецов, воспитывающихся в разных условиях постэмбрионального периода, позволяет выявит признаки, в формировании которых существенная роль принадлежит факторам среды. Наблюдается дискордантность, т.е. различия. Сохранение сходства свидетельствует о наследственной обусловленности признака. Трудности связаны: 1) с относительно низкой частотой рождения близнецов в популяции (1:86 - 1:88), что осложняет подбор достаточного количества пар с данным признаком; 2) с идентификацией монозиготности близнецов, что имеет большое значение для получения достоверных выводов. Для идентификации монозиготности применяют ряд методов: 1) полисимптомный по многим морфологическим признакам (пигментация глаз, волос, кожи, форме волос и т.д.); 2) Методы, основанные на иммунологической идентичности близнецов по эритроцитарным антигенам ( системы АВО,MN, резусу), по сывороточным белкам (гамма-глобулину); 3) Наиболее достоверный критерий - трансплантационный тест с применением перекрестной пересадки кожи.

4) Биохимический метод.

Изучают наследственные заболевания, обусловленные генными мутациями, а также полиморфизм по нормальным первичным продуктам генов. Начали применять в 20 в. В последние 30 лет их широко используют в поиске новых форм мутантных аллелей. С их помощью описано более 1000 врожденных болезней обмена веществ. Для многих из них выявлен дефект первичного генного продукта. Наиболее распространенными среди таких заболеваний являются болезни, связанные с дефектностью ферментов, структурных, транспортных или иных белков. Дефекты структурных и циркулирующих белков выявляются при изучении их строения. Дефекты ферментов устанавливают путем определения содержания в кроми и моче продуктов метаболизма, являющихся результатом функционирования данного белка. Дефицит конечного продукта, сопровождающийся накоплением промежуточных и побочных продуктов нарушенного метаболизма, свидетельствует о дефекте фермента или его дефиците в организме. Проводят в 2 этапа. 1 - отбирают предположительные случаи заболеваний. 2 - более точными и сложными методами уточняют диагноз заболевания. Применение: для диагностики заболеваний в пренатальном периоде или непосредственно после рождения позволяет своевременно выявить патологию и начать специфические медицинский мероприятия, как, например, в случае фенилкетонурии.

5) Популяционно-статистический метод.

Изучают наследственные признаки в больших группах населения, в одном или нескольких поколениях. Существенный момент - обработка получаемых данных. Этим методом можно рассчитать частоту встречаемости в популяции различных аллелей гена и разных генотипов по этим аллелям, выяснить распространение в ней различных наследственных признаков, в том числе заболеваний. Он позволяет изучать мутационный процесс, роль наследственности и среды в формировании фенотипического полиморфизма человека по нормальным признакам, а также в возникновении болезней, особенно с наследственной предрасположенностью. Также используют для выявления генетических факторов в антропогенезе, в частности в расообразовании. При статистической обработке материала, основой для выявления генетической структуры популяции является закон генетического равновесия Харди-Вайнберга (рА+qa)2 (отражает закономерность, в соответствии с которой при определенных условиях соотношение аллелей генов и генотипов в генофонде популяции сохраняется неизменным в ряду поколений этой популяции). Позволяет утверждать, что признаки обусловлены разными аллелями одного гена (альбинизм, группы крови). 6) Дерматоглифический метод. Предложен в 1892 г. Ф.Гальтоном. Изучение кожных гребешковых узоров пальцев ладоней, а также сгибательных ладонных борозд.

Установил, что указанные узоры являются индивидуальной характеристикой человека и не изменяются в течение его жизни. Гальтон уточнил и дополнил классификацию рельефа кожных узоров, основы которой были разработаны Пуркинье еще в 1823 г.В настоящее время установлена наследственная обусловленность кожных узоров, хотя характер наследования окончательно не выяснен. Вероятно, этот признак наследуется по полигенному типу. НА характер пальцевого и ладонного узоров организма большое влияние оказывает мать через механизм цитоплазматической наследственности.

Важны при идентификации зиготности близнецов. Считают, что если из 10 пар гомологичных пальцев не менее 7 имеют сходные узоры, это указывает на однояйцевость.

Сходство узоров лишь 4-5 пальцев свидетельствует в пользу разнояйцевости. Изучение людей с хромосомными болезнями выявило у них специфические изменения не только рисунков пальцев и ладоней, но и характера основных сгибательных борозд на коже ладоней. Примеры: синдромы Дауна, Клайнфельтера, Шерешевского-Тернера, «кошачьего крика». Менее изучены дерматоглифические изменения при генных болезнях. Описаны специфические отклонения этих показателей при шизофрении, миастении, лимфоидной лейкемии. Применяют методы с целью установления отцовства.

21. Сущность молекулярных болезней человека. Возможности их профилактики и лечения. Серповидноклеточная анемия, фенилкетонурия, болезнь Вильсона-Коновалова, муковисцидоз, наследственная гиперхолестеринемия, идиотия Тея-Сакса