1 ГБОУ ВПО Самарский Государственный Медицинский Университет

1

ГБОУ ВПО Самарский Государственный Медицинский Университет Кафедра медицинской биологии, генетики и экологии тема: «Генный уровень организации наследственного материала. Современная теория гена. » Заведующая кафедрой доктор биологических наук, профессор Самыкина Лидия Николаевна лекция № 3 октябрь 2014 года 2

Генный уровень организации наследственного материала будем рассматривать с точки зрения современной программы “Геном человека”. 3

Международная программа «Геном человека» Проект «Геном человека» - наиболее яркое достижение науки XX века. Выполнение программы «Геном Человека» представляет собой самое великое открытие на пороге третьего тысячелетия. На впечатляющие и конкретные результаты стремительного прогресса в секвенировании генома человека 17 ноября 1999 года указал президент 4

Грандиозное открытие современности — расшифровка первичной структуры генома человека, представляет собой итог многолетней скрупулезной работы сообщества ученых, объединенных программой «Геном человека» . 5

Вдохновителем и инициатором программы на американском континенте был Джеймс Уотсон - первооткрыватель двойной спирали ДНК. С 1996 по 2003 год руководителем этой программы в США являлся профессор Френсис Коллинз. 6

Джеймс Уотсон Джеймс Дью и Уо тсон (род. 6 апреля 1928 г. , Чикаго, Иллинойс) — американский биолог. Лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине 1962 года — совместно с Фрэнсисом Криком и Морисом Уилкинсом за открытие структуры молекулы ДНК. 7

Френсис Коллинз Френсис Селлерс Коллинз (род. 14 апреля 1950 года) — американский генетик, ставший известным как руководитель проекта по расшифровке генома человека. В настоящее время возглавляет Национальные институты здравоохранения США в Бетесда, Мэриленд. 8

Существенные разделы программы выполнены в ведущих научных центрах США, Великобритании, Франции и Японии. Решающая роль в становлении и развитии отечественной подпрограммы принадлежит выдающемуся ученому, академику А. А. Баеву. 9

Александрович Баев (28 декабря 1903 [10 января 1904], Чита — 31 декабря 1994, Москва) — советский биохимик, врач, выдающийся ученый. Основные работы посвящены биохимии, биотехнологии, генетике и молекулярной биологии. Первым в Советском Союзе и одним из первых в мире осуществил структурнофункциональное изучение нуклеиновых кислот (РНК и ДНК). участвовал в выделении и изучении гормона роста человека. Являлся автором и руководителем научноисследовательской программы по изучению генома человека. 10

Крейг Вентер в апреле 2000 года в Ванкувере (Канада) впервые сообщил о завершении сиквенса генома человека. Секвенирование 1/3 генома человека было завершено в 2001 году, а всего генома в 2003 году. 11

Крейг Вентер (род. 14 октября 1946, Солт-Лейк-Сити, США) — американский генетик, биолог и бизнесмен-организатор науки. Сейчас он признанный лидер самых радикальных и перспективных направлений современной генетики и первопроходец в области синтеза искусственной жизни. 12

Совокупность генов в гаплоидном наборе хромосом называется - ГЕНОМ. Мы на сегодняшней лекции рассмотрим лишь правила, согласно которым определенные наборы генов избирательно активируются в каждой клетке. 13

14

В настоящее время по некоторым данным в мире секвенируется до 10 млн. полинуклеотидных оснований. Размер генома человека составляет 3, 3 млрд п. н. при среднем размере одного гена около 30 000 полинуклеотидных оснований. 15

В настоящее время картированно свыше 30 000 фрагментов экспрессирующихся генов человека, идентифицировано 11 000 генов, из которых 6 000 картировано на хромосомах. 16

В результате последующей мощной компьютерной обработки данных, позволяющей расположить секвенированные участки в правильной последовательности, оказалось возможным реально трижды просеквенировать геном одного человека. 17

На геномных картах четко локализовано и просеквенировано более 50 000 коротких фрагментов ДНК, наличие которых открывает широкие возможности для картирования новых генов, в том числе и генов, ответственных за мультифакториальные заболевания (сердечно-сосудистые, нервно-психические, опухоли и др. ). 18

Геномы всех людей, за исключением однояйцевых близнецов различны. Выраженные популяционные, этнические, индивидуальные различия генов как в их смысловой части (экзоны), так и в некодирующих последовательностях (интроны) обусловлены различными мутациями, приводящими к генетическому полиморфизму. 19

Есть основания предполагать, что компьютерный анализ геномов позволит создать Периодическую Систему Геномов. 20

Основная задача программы «Геном человека» - секвенирование всего генома, т. е. определение последовательности 4 -х нуклеотидов: аденина, аденина гуанина, цитозина и гуанина тимина в молекулах ДНК. 21

22

23

24

25

Согласно современным представлениям ГЕН - единица ГЕН генетического материала, которая передается от родителей потомству и может быть обнаружена в эксперименте по ее способности мутировать в различные состояния, рекомбинировать с другими такими же единицами и функционировать, наделяя организм каким-либо конкретным фенотипом. 26

27

Определение гена в программе «Геном» человека: единица транскрипции, которая может быть транслирована в одну или несколько аминокислотных последовательностей. Это дает возможность сделать более точные подсчеты количества генов. Оценка числа генов у человека составляет величину 60 000 – 70 000, из них - «гены домашнего хозяйства» 14 000, транскрибируемая часть генома - 20 000. 28

Различают три основные группы генов • РНК-кодирующие гены • Протеин-кодирующие гены • Митохондриальные гены 29

РНК-кодирующие гены определяют синтез РНК, необходимый для обеспечения процессов сплайсинга, синтеза рибосом и процессов трансляции. РНК-кодирующие гены дают информацию для синтеза молекул РНК (т. РНК, р. РНК, и. РНК), обладающих регуляторным действием, т. е. влияющих на функции других генов. Например, РНК для выключения или инактивации одной из X-хромосом у женщин. 30

Гены, кодирующие малые ядерные РНК Малые ядерные РНК помогают удалять интроны из проматричной РНК. Этот процесс осуществляется таким образом, что следующие друг за другом экзоны, т. е. кодирующие фрагменты м. РНК, никогда физически не разобщаются. Экзоны соединяются между собой с помощью молекул так называемых малых ядерных РНК. 31

Молекулы малых ядерных РНК играют роль временных матриц, удерживающих близко друг от друга концы двух экзонов, для того чтобы сплайсинг произошел в правильном месте. После того, как таким путем из про-и. РНК удаляются все интроны, завершается процессинг, м. РНК и зрелая р. РНК покидают ядро. 32

Протеин-кодирующие гены Гены, кодирующие белки, по своей структуре и функциям разделяются на гены «домашнего хозяйства» или гены жизнеобеспечения клетки. Имеются также гены специальных функций, т. е. гены терминальной дифференцировки. Они кодируют белки, характерные для дифференцируемой ткани и определяющие её основные функции. 33

Например гемоглобин в эритроцитах, мышечные белки, секреторные белки эндокринных и пищеварительных желез. В последнее время выделяют гены особых ядерных белков, названных транскрипционными факторами. Имея сравнительно небольшие размеры, эти гены характеризуются наличием высококонсервативных последовательностей, белковые продукты которых способны соединяться с регуляторными областями ДНК многих структурных генов, вызывая их репрессию или активацию (SRY). 34

Митохондриальные гены. Примерно 95 % ДНК находятся в спирализованном состоянии в ядре каждой клетки организма и только около 5% сосредоточены в многочисленных митохондриях (около 1000 на одну клетку), двумембранных органоидах, отвечающих за дыхание и энергетические процессы. 35

Митохондриальные ДНК содержат всего 37 генов. 13 генов кодируют полипептиды, входящие в состав комплекса (NADHдегидрогеназы-коэнзим Q оксидоредуктазы). 36

• Остальные 24 гена необходимы для трансляции белка на митохондриальных рибосомах. Генетический код митохондрий несколько отличается от ядерного, поэтому синтез белка в них требует присутствия собственного вспомогательного аппарата. • Из этих 24 генов 22 гена кодируют т. РНК, а 2 гена – р. РНК митохондрий. 37

Первым практическим результатом реализации программы «Геном человека» стало появление принципиально новых подходов к диагностике и лечению наследственных моногенных заболеваний, то есть заболеваний, связанных с нарушениями одного единственного гена. 38

Современная генная диагностика целиком связана со знанием структуры генома человека. Для двух сотен наследственных болезней найдены гены, мутации в которых приводят к развитию заболевания. 39

Обнаружены гены носительства болезни Альцгеймера, выявлены «больные» гены болезни Тея-Сакса (вызывает слабоумие, прогрессирующую слепоту и мышечное истощение), синдрома Хантингтона, рака толстой кишки и молочной железы и многих других. 40

Особенно актуальна разработка ранних методов (предклинических и пренатальных) диагностики наследственных болезней. 41

Теперь на очереди стоит генная диагностика ненаследственных заболеваний, в частности, злокачественных новообразований, возникающих спорадически. 42

Установлено, что всего лишь точечная замена (Т->Ц) в области, расположенной за геном CYP 1 A 1, в 2, 5 раза повышает риск развития плоскоклеточного рака. Эти подходы стали важным инструментом практической медицины. В первую очередь это полимеразная цепная реакция (ПЦР). 43

Например, выявлено свыше десятка генов (называемых прогностическими молекулярными или генетическими маркерами), экспрессия или гиперэкспрессия которых служит неблагоприятным признаком развития рака молочной железы. 44

В последние годы для определения вариаций или полиморфизмов ДНК человека стали использовать и биочипы. С их помощью возможно оценить одновременно тысячи потенциально опасных мутаций и полиморфизмов генома у конкретного пациента. 45

С помощью биочипов можно выявлять генетические ошибки почти так же быстро, как сканер определяет цены на упаковках продуктов в магазине. В самом ближайшем будущем генная диагностика позволит определять весь спектр генов предрасположенности к заболеваниям у каждого человека. 46

Сегодня многие супружеские пары, ожидающие рождения ребенка, могут пройти такое тестирование — молекулярный анализ ДНК, полученной из небольшого количества эмбрионального материала. Этот анализ позволяет с высокой точностью предсказать, будет ли плод страдать той или иной из нескольких сотен тяжелых наследственных болезней. 47

Первые примеры этому уже имеются. Так, недавно появилось сообщение об использовании сверхранней диагностики с целью рождения полноценного ребенка в семье, где ее члены поражены болезнью Альцгеймера. 48

В искусственных условиях оплодотворили яйцеклетку матери сперматозоидами отца. Потом провели анализ 15 зигот на наличие мутаций в гене, ответственном за болезнь Альцгеймера. 49

В большинстве случаев была обнаружена смертельная комбинация генов, а в одном все было в порядке. Использовав эту единственную «полноценную» зиготу, родная мать родила здорового ребенка. В ином случае ребенок, рожденный матерью, с большой вероятностью содержал бы «больной» ген. 50

В ближайшем будущем подобные процедуры станут вполне привычными, так как техника предупредительного генетического анализа стремительно развивается. 51

На сегодняшний день в Японии все новорожденные проходят тест на 11 генетических заболеваний, в Америке - на 7, в России — на 4: фенилкетонурию, гипотиреоз, муковисцидоз и галактоземию. Генетический анализ помогает распознать заболевания даже когда плод еще находится в утробе матери. 52

Создание «генетического паспорта» гражданина становится реальностью. Такой «паспорт» должен содержать информацию о наличии мутаций в генах, вызывающих развитие наследственных болезней, и, что особенно важно, вариантов генов предрасположенности к мультифакториальным заболеваниям. 53

Уже сегодня в Западной Европе, США и Канаде в неполном варианте проводится «генетическая паспортизация» по различным медицинским показаниям и просто по индивидуальному желанию. Формируются индивидуальные и семейные базы генетических данных. 54

Таким образом, стихийный процесс «паспортизации» уже начался. Очевидно, что «генетическая паспортизация» станет основой паспортизация» профилактической индивидуализированной медицины будущего. 55

Правильный диагноз – половина лечения Знание структуры генома человека дает сегодня медикам дополнительные возможности ставить уверенно и безошибочно диагноз многих тяжелых болезней. 56

Важно, что при этом врачу совершенно не обязательно видеть самого пациента. Достаточно лишь «прочитать» небольшой определенный участок его ДНК, выделенной из нескольких клеточек человеческого тела (например, из капли крови или даже из волосяной луковицы). 57

Генотерапия – Генотерапия это метод для исправления дефектного гена, ответственного за развитие заболевания. 58

Для исправления дефектного гена могут быть использованы разные подходы: 1. Наиболее часто в ядро вводится нормальный ген без специфической локализации для замещения дефектного гена. 2. Дефектный ген может быть замещен нормальным геном с помощью гомологичной рекомбинации. 59

3. Дефектный ген может быть исправлен с помощью селективной обратной мутации. 4. Может быть изменена регуляция определенного гена (уровень его активности). 60

Генная диагностика «навела на след» , показала врачу, с каким конкретным геном связана патология у обследуемого пациента. Хотя этот этап очень важный, но он только первый. Дальше надо приступать к лечению. И если для этого нет соответствующих средств, то правильному диагнозу грош цена. Время, когда болезнь лечили народными средствами, безвозвратно ушло в прошлое. 61

Традиционные методы фармакотерапии уже тоже вчерашний день. Современное лекарство — это лекарство молекулярная «пуля» , которая бьет точно в «мишень» , исправляя первопричину нарушений на молекулярном уровне. Такими «пулями» могут служить «здоровые» гены, выделенные из здоровых организмов. 62

БЛАГОДАРЮ ЗА ВНИМАНИЕ! 63

64

65