Учебное пособие для студентов I курса (дополненное)
|
|
Скачать 1.26 Mb.
|
|
^ Организмы, обладающие способностью регулировать свою генетическую активность, хорошо адаптируются к изменяющимся условиям окружающей среды. Наличие таких регуляторных систем характерно для всех эукариотических и прокариотических клеток. ^ были установлены французскими исследователями Франсуа Жакобом и Жаком Моно в 1961 году. Они предложили гипотезу "оперона", которая впоследствии была названа классической, и ее авторы были удостоены Нобелевской премии. На базе этого исследования была впервые разработана модель структурно-функциональной организации оперона. В настоящее время оперонная теория получила экспериментальное подтверждение. ^ Оперон - это блок генов, участвующих в обеспечении транскрипции генов, ответственных за синтез определенного генопродукта.  ^  Регуляторная часть оперона: А - активатор, часть промотора, к которому присоединяется белок-активатор (САР - белок или catabolite activator protein), что активирует присоединение РНК- полимеразы к промотору; это "положительно" контролирующий элемент, который есть не в каждом опероне. П - ген-промотор - это участок ДНК, который распознается ферментом РНК - полимеразой и указывает место, где должна начинаться транскрипция. О - ген-оператор, управляющей работой структурных генов; "негативно" контролирующий элемент - присутствие на нем белка-репрессора прекращает транскрипцию. Т - ген-терминатор - это участок, после которого прекращается транскрипция и перед которым прекращается трансляция. В состав этого участка входит один из трех кодонов терминаторов (стоп-кодонов). В некоторых оперонах между оператором и структурными генами расположен участок(16 пар оснований), частью которого является аттенуатор, служащий барьером для транскрипции. Подобная структура есть в триптофановом опероне кишечной палочки (Escherichia coli). ^ : В, С, Д, Е – структурные гены, кодирующие соответствующие белки; структурные гены одного оперона включаются и выключаются одновременно. Транскрипция группы структурных генов (цистронов) контролируется геном-регулятором и геном оператором. Оператор состоит приблизительно из 30 нуклеотидов. Генетические дефекты в операторе приводят к непрерывному синтезу ферментов, т.е. регуляция синтеза генопродукта нарушается. Ген-регулятор контролирует синтез белка репрессора, не входит в состав оперона и может находиться на разном расстоянии от оперона. Регуляторный белок репрессор определяет активность оперона. Он имеет два функциональных центра: 1) место связывания с опероном; 2) место связывания с индуктором или корепрессором. Большее сродство белок репрессор имеет ко второй группе веществ, которые высокоспецифичны. Оперон активен, если оператор свободен от репрессора. Этот белок с оператора снимается, если к его второму активному центру присоединяется вещество, называемое индуктором (по химической природе оно может быть различным). Следовательно, регуляторные белки либо запускают, либо блокируют транскрипцию цистронной части оперона. Таким образом, анализируя механизмы регуляции экспрессии генов у прокариот, можно выделить три типа регуляторных элементов. 1. ^ – белки, влияющие на активность РНК-полимеразы, т.к. или позволяют ей связываться с промотором или нет; или открывают ей доступ к следующим после промотора нуклеотидам ДНК, или закрывают, соединяясь с оператором. Активность регуляторных белков изменяется с помощью специфического связывания с низкомолекулярными эффекторами (индукторами, корепрессорами).
^ В процессе синтеза катаболических ферментов (расщепляющих суб-страты) у прокариот происходит индуцируемый синтез ферментов. Это дает клетке возможность приспосабливаться к условиям окружающей среды и экономить энергию, прекращая синтез соответствующего фермента, если потребность в нем исчезает. Для индукции синтеза катаболических ферментов обязательны следующие условия:
Наиболее хорошо изучен механизм регуляции экспрессии генов у кишечной палочки на примере lac-оперона, контролирующего синтез трех катаболических ферментов, расщепляющих лактозу. Если в клетке много глюкозы и мало лактозы, промотор остается неактивным, а на операторе находится белок репрессор - блокируется транскрипция lac-оперона. Когда количество глюкозы в среде, а следовательно и в клетке, уменьшается, а лактозы увеличивается, происходят следующие события: количество циклического аденозинмонофосфата увеличивается, он связывается с САР -белком - этот комплекс активирует промотор, с которым соединяется РНК-полимераза ; в это же время избыток лактозы соединяется с белком-репрессором и освобождает от него оператор - путь для РНК-полимеразы открыт, начинается транскрипция структурных генов lac -оперона. Лактоза выступает в качестве индуктора синтеза тех ферментов, которые её расщепляют. Лактозный оперон будет находиться в состоянии экспрессии до тех пор, пока в клетке уровень индуктора - лактозы не будет доведен до определенного уровня, характерного для данной клетки (принцип обратной связи). Тогда белок репрессор освободится от лактозы, займет свое место на операторе и транскрипция оперона прекратится. Такая регуляция синтеза катаболических ферментов получила название негативной индукции, т.к. сам белок репрессор осуществляет негативный контроль за работой оперона (его присутствие на операторе выключает транскрипцию), а снимается блок транскрипции благодаря индуктору, который инактивирует белок репрессор. В настоящее время изучена работа многих оперонов, в том числе и оперонов анаболического ряда. Примером такого оперона у кишечной палочки может быть триптофановый оперон, контролирующий синтез пяти ферментов, необходимых для образования аминокислоты триптофана. Для триптофанового оперона синтезируется неактивный репрессор, который активируется лишь под действием корепрессора (триптофана). Здесь наблюдается особая форма ингибирования конечным продуктом: оперон становится активным в случае недостатка триптофана в среде, а высокое содержание в среде данной аминокислоты подавляет выработку фермента, необходимого для синтеза триптофана, т.к. избыток триптофана активирует белок репрессор, который соединяется с оператором и транскрипция прекращается- оперон репрессируется. Такая система регуляции называется негативной репрессией. Она позволяет не синтезировать вещество в избытке. ^ Регуляция экспрессии генов у эукариот протекает намного сложнее. Различные типы клеток многоклеточного эукариотического организма синтезируют ряд одинаковых белков и в то же время они отличаются друг от друга набором белков, специфичных для клеток данного типа. Уровень продукции зависит от типа клеток, а также от стадии развития организма. Регуляция экспрессии генов осуществляется на уровне клетки и на уровне организма. Гены эукариотических клеток делятся на два основных вида: первый определяет универсальность клеточных функций, второй – детерминирует (определяет) специализированные клеточные функции. Функции генов первой группы проявляются во всех клетках. Для осуществления дифференцированных функций специализированные клетки должны экспрессировать определенный набор генов. ^ имеют ряд структурно-функциональных особенностей, что объясняет сложность экспрессии генов.
10. У эукариот на каждом этапе онтогенеза экспрессировано 5-10% генов, остальные должны быть заблокированы. ^ Одно из основных правил наследования признаков является правило равнозначной функции аллеля, полученного от отца и от матери. Однако, как показали подробные исследования, это правило может не соблюдаться. Функции генов взаимосвязаны и могут изменяться вплоть до дифференциального выключения одного из аллелей на протяжении всего онтогенеза. Такое явление объясняется генетическим импринтингом, т.е. механизмом, с помощью которого различается активность генов в зависимости от того, от какого родителя они получены - материнского или отцовского организма. ^ - это эпигенетический (надгенетический – не кодируемый) процесс маркировки (обозначения) некоторых локусов хромосом одного из родителей, что сопровождается выключением экспрессии расположенных в маркированных локусах генов. Таким образом, в участках генома, подверженных импринтингу, происходит моноаллельная (а не биаллельная) экспрессия генов. При этом в одних случаях импринтингу подвергаются отцовские гены, и, следовательно, транскрибируются материнские, а в других - материнские, и, следовательно, транскрибируются отцовские, что приводит к отклонению от менделевских законов. Речь идёт о стойких функциональных различиях экспрессии гомологичных генов у потомства. В итоге, фенотипическое проявление конкретного гена может меняться из-за трёх причин: его делеции, мутации в нём и эпигенетического выключения экспрессии, т.е. импринтинга. ^ наиболее вероятно заключается в специфическом метилировании цитозиновых оснований ДНК, что приводит к выключению транскрипции генов. Сейчас у человека известно около 30 генов, подверженных импринтингу и имеющих тканеспецифическую моноаллельную экспрессию, и 3 кластера (пучков) генов, локализованных в 7q, 11p и 15q хромосомах. В случае отсутствия мутаций это явление обеспечивает фенотипическое разнообразие белковых структур на уровне организма. Если же в этих участках происходит мутация (микроделеции, микродупликации), то все они имеют отношение к наследственной патологии. ^ . При изучении геномного импринтинга у человека на примере пузырного заноса (ткани эмбриона не развиваются, бурно разрастается [пролиферирует] трофобласт, заполняющий полость матки) стало известно, что развитие плаценты обеспечивается геномом отца, а раннее развитие эмбриональных структур - геномом матери. ^ - это один из разделов молекулярной биологии и генетики, который занимается генетическим конструированием по заранее намеченному плану для создания организмов с новой генетической программой. Этот раздел науки появился в 70-х годах прошлого столетия, когда американским генетиком П. Бергом впервые в мире была получена гибридная ДНК. С технологической стороны генетическая инженерия включает в себя три этапа: • получение генов путем их искусственного синтеза или путем выделения генов из природного материала; • включение генов в векторную, автономно реплицирующуюся молекулу ДНК, т.е. создание гибридной молекулы ДНК; • введение гибридной ДНК в клетку-реципиент с последующим включением соответствующего гена в ее хромосому. Впервые искусственным путем ген был получен индийским ученым Г.Корана в 1967 году путем химического синтеза - это был ген, контролирующий синтез инсулина. Позже стали выделять гены из генома, используя для этого ферменты рестриктазы, действующие на строго специфичные последовательности нуклеотидов и, следовательно, «разрезающие» молекулу ДНК в определенных участках. Сейчас известно более 500 видов рестриктаз. Полученные таким путем гены лишены интронов, так как их «вырезают» рестриктазами. Поэтому эти гены можно использовать для получения гибридных ДНК с ДНК бактерий. Обеспечивается транскрипция этих «новых» генов бактерии регуляторными генами оперона бактериальной клетки. Таким способом были получены опероны, контролирующие синтез инсулина в кишечной палочке. Достижения современной молекулярной генетики позволяют выделять гены с пограничными областями, содержащими в себе важные регуляторные последовательности. После, того как будет получен ген, его встраивают в плазмиду или умеренный фаг, которые используются в качестве средства переноса (вектора) для введения данного гена в какую-нибудь бактериальную клетку, где они размножаются (клонируются) вместе с реплицирующимся вектором. Перед введением нужного фрагмента ДНК в плазмиду, ее (плазмиду) переводят в линейную форму (“разрезают” рестриказой) для того, чтобы присоединить с помощью ДНК-лигаз необходимый ген. В зависимости от целей используют разные плазмиды. Существуют плазмиды с широким кругом хозяев, способные размножаться во многих бактериальных клетках, но есть и такие, которые размножаются в двух или даже в одном виде бактерий. ^ . Создание искусственных генов, получение рекомбинантных ДНК может привести к появлению организмов, не встречающихся ранее на Земле. Так в США была получена кишечная палочка с генами стафилококка и обладающая свойствами обоих микроорганизмов. Угроза получения бактерий с новыми патогенными свойствами и устойчивыми к лекарствам заставили ученых - генетиков обсудить этот вопрос на Международной конференции в США (1975), где были определены основные положения манипуляций с генетическим материалом, чтобы не происходило случайного выхода из экспериментальных лабораторий рекомбинантных микроорганизмов. Успехи генетической инженерии должны быть направлены на борьбу с наследственными заболеваниями и получение новых форм микроорганизмов для использования их в биотехнологических процессах, то есть для промышленного получения хозяйственно ценных веществ из нетрадиционных продуктов: белков из парафина и нефти, метанола и этанола из природного газа и т.д. Генетическая инженерия позволяет получить также микроорганизмы, способные продуцировать некоторые лекарственные препараты, гормоны и биологически активные пищевые добавки. Таким способом получены интерферон, человеческий инсулин, некоторые антибиотики, органические кислоты и многое другое. Успехи, достигнутые в области рекомбинантной ДНК, позволили уже в 80-х годах прошлого столетия разрабатывать условия для «генной терапии» наследственных болезней. «Генная терапия» - это доставка нового генетического материала в клетки больного, что обеспечивает лечебный эффект. Осуществление генной терапии возможно двумя путями:
Впервые метод «генной терапии» был применен 14 сентября 1990 г. у девочки 4 лет (США), страдающей тяжелой комбинированной формой первичного иммунодефицита - введением in vitro, в Т- лимфоциты девочки гена аденозиндезаминазы. С этого же года выходит журнал «Генная терапия». Однако применять эти методы надо крайне осторожно, т. к. генетика человека еще не располагает достаточными сведениями о том, как будет реагировать наш генетический аппарат на введение дополнительной генетической информации. ^ По мере развития медицинской генетики перед здравоохранением встал вопрос о необходимости создания специальных учреждений, выполняющих функции консультативной помощи населению по наследственной патологии. Еще в 30-х годах советский клиницист-генетик С.Н. Давиденков осуществлял на практике работу по генетическому консультированию и выдвинул основные положения по методике консультирования семей с наследственными заболеваниями нервной системы. Первые медико-генетические консультации, занимающиеся прогнозированием здоровья потомства при наследственной патологии, были организованы в 1967 году в Москве и Ленинграде, а три года спустя - в республиканских и некоторых областных и краевых центрах. Современная генетическая консультация - это междисциплинарная отрасль здравоохранения, которая занимается не только проблемами наследственности человека, но и специальными вопросами, характер которых определяется интересами семьи и общества. ^ , физически и психически неполноценных. В соответствии с этой целью задачами медико-генетического консультирования являются:
5. Пропаганда медико-генетических знаний среди врачей и населения. ^ - одному из членов семьи поставлен диагноз наследственного заболевания и родственники хотят знать прогноз для будущего или уже имеющегося потомства, подозревается наследственный дефект и для уточнения диагноза необходимы генетические исследования, - предполагается возможность рождения больного ребенка в связи с кровнородственным браком, приемом лекарственных препаратов во время беременности и т.д. Кроме перечисленных случаев, врач должен заподозрить наследственную патологию при следующих ситуациях: -наличие сходных патологических симптомов у нескольких членов семьи, отставание у них в умственном и физическом развитии,
С точки зрения организации здравоохранения оценка фактической потребности в генетических консультациях определяется частотой семей, нуждающихся в генетическом консультировании. Считается, что такие семьи составляют 5-10% от общего числа населения. Исходя из этого, оптимальным считается одна генетическая консультация на 1 млн. жителей. В медико-генетических консультациях работают клинические генетики (врачи), цитогенетики (врачи, биологи), биохимики, иммунологи, гематологи, педиатры, акушеры-гинекологи, референты по социальным вопросам и др. специалисты. Для быстрого внедрения новых данных науки в практику медико-генетические консультации имеют тесную связь с генетическими научно-исследовательскими институтами. ^ Консультирование состоит из нескольких этапов, в процессе которых врач-генетик должен определить риск рождения больного потомства, дать обоснованную рекомендацию супругам и подготовить их к правильному восприятию советов. При этом перед врачом возникают не только генетические, но и морально-этические вопросы. В настоящее время медико-генетическое консультирование осуществляется в три этапа. ^ -уточнение или постановка диагноза. Точность клинико-генетического диагноза - это первоочередная проблема современной генетической консультации, поскольку диагноз позволяет установить степень генетического риска для потомства и осуществить выбор эффективных методов пренатальной (внутриутробной) диагностики, а также решить вопрос о путях коррекции некоторых видов наследственных заболеваний. Установление правильного клинического диагноза требует использования разнообразных методов клинической диагностики (лабораторных, функциональных), характеризующих фенотип. ^ . Совершенно необходимо, чтобы были получены данные обо всех членах семьи, здоровых и пораженных, включая также и рано умерших. При сборе информации важно обращать внимание на возраст родителей при рождении детей, спонтанные аборты, сроки манифестации (проявления) заболевания. ^ , в ряде случаев метод дерматоглифики. При подозрении на молекулярные болезни, помимо генеалогического метода, проводятся биохимические исследования. Кроме того, в медико-генетической практике в настоящее время используются молекулярно-генетические методы (методы ДНК-диагностики), предназначенные для выявления вариаций в структуре исследуемого участка ДНК, где располагается интересующий генетика ген. В основе этих методов лежат манипуляции с ДНК и РНК. В большинстве случаев для успешной диагностики болезни или гетерозиготного состояния достаточно исследовать небольшой фрагмент ДНК ДНК-диагностика бывает подтверждающей, пресимптоматической, пренатальной, а также ДНК-диагностикой носительства. ^ моногенных наследственных болезней. Прямые методы возможны тогда, когда ген заболевания известен, известна его экзон - интронная организация и получены его копии(т.е. ген клонирован).В таком случае мутантный ген можно выявить в геноме больного с помощью этих методов. ^ мутаций применяется тогда, когда нуклеотидная последовательность гена ещё неизвестна, но известно относительное положение гена на генетической карте, поэтому косвенная ДНК-диагностика основная на анализе полиморфных генетических маркеров, расположенных в том же хромосомном регионе, что и ген болезни, т.е. сцеплены с ним. Маркеры называются полиморфными, потому что они существуют в популяции в нескольких аллельных вариантах. Маркеры анализируются у больных и здоровых членов семьи из разных поколений. Далее следует математический анализ сцепления генов и признаков. Освоение этих методов требует специальной подготовки в соответствующих лабораториях. В ряде случаев в процессе медико-генетического консультирования возникает необходимость специализированных консультаций - неврологических, рентгенологических, стоматологических и т.д. ^ . Сущность генетического прогноза состоит в оценке вероятности появления наследственной патологии у будущих или уже родившихся детей. Главным условием при расчете генетического риска является точный диагноз. Существуют два главных метода оценки генетического риска: 1) эмпирический - основан на опыте прогноза сходных генетических ситуаций; 2) теоретический расчет, основанный на генетических закономерностях. В некоторых случаях оба метода комбинируются. В работе врача-генетика генетические ситуации могут иметь разное содержание. ^ , при котором а) известны генотипы обоих родителей, б) имеется аутосомно-рецессивное наследование, но известен только генотип одного родителя, в) наследование аутосомно-доминантное с неполной пенетрантностью, г) брак кровно-родственный. В случае варианта "а" теоретические расчеты основываются на менделевских генетических закономерностях. В случае "б" риск рождения больного рассчитывается с учетом частоты гетерозигот в популяции. В случае "в" риск рассчитывается с учетом пенетрантности. И, наконец, в случае "г"- с учетом коэффициента родства с пораженными членами семьи. ^ . При этом болезнь хотя и повторяется среди родственников, но установить тип наследования и предсказать расщепление признаков у потомства невозможно, поскольку неприменимы методы теоретического расчета. Риск рождения больного ребенка в данном случае устанавливается на основании эмпирических (опытных) вероятностей. Используются специальные таблицы эмпирического риска, которые составляют на основании аналогичных ситуаций, описанных в литературе. ^ , которые могут в отдельных случаях повторяться у потомства одной и той же супружеской пары. Так, если у родителей нормальные кариотипы, риск для детей пробанда оценивается по эмпирическим таблицам для каждого типа хромосомной болезни с учетом возраста матери, если у одного из детей имеет место гетероплоидия. До 30-ти летнего возраста частота нерасхождений не возрастает, но в дальнейшем увеличивается. Более 1% детей, рожденных от матери в возрасте свыше 40 лет, имеют трисомию по 21-й паре хромосом, 3,7% имеют хромосомную аномалию любого другого типа. Возраст отца не влияет на возникновение трисомии. При семейных формах хромосомных аберраций риск рождения больного ребенка оценивается по эмпирическим таблицам. При этом, как правило, риск выше при наличии перестройки у матери, чем у отца. Так, для распространенных транслокаций эмпирический риск равен приблизительно 11%, когда носителем является мать, и 2% –когда отец. 4. ^ , чаще всего это случаи рождения больного ребенка у здоровых родителей, когда в родословной не удается найти данных о патологии среди родственников. В таких случаях врач-генетик должен быть предельно осторожен в определении риска рождения следующего больного ребенка, поскольку данная ситуация может быть обусловлена разными причинами:
-сокрытием одним из родителей наследственной патологии. При всех случаях прогноз заболевания потомства будет различным. Так, если говорить о фенокопиях, то, поскольку они не наследуются, риск повторного рождения больного ребенка бывает предельно мал. Благоприятным для потомства прогноз будет и при спорадических случаях болезни. Одной из причин в таком случае является возникшая в гамете одного из родителей мутация. Теоретически новые мутантные гены возникают с частотой порядка единичных мутантных гамет на сотни тысяч нормальных. ^ На этом этапе врач должен дать письменное заключение о риске рождения больного ребенка и соответствующие рекомендации. Составляя заключение, врач должен учитывать степень тяжести наследственной патологии, величину риска рождения больного ребенка и морально-этическую сторону вопроса. С генетической точки зрения риском рождения больного ребенка можно пренебречь, если риск не превышает 10%. Такой риск не является противопоказанием к деторождению. Риск от 11% к 20% является средним, свыше 20% - высоким. Величина риска не должна быть самодовлеющей, необходимо учитывать степень тяжести наследственной патологии и возможность ее коррекции. Так, при высоком риске рождения больного ребенка противопоказанием к деторождению можно отнести случаи: 1) сублетальных и летальных заболеваний; 2)тяжелых, плохо поддающихся лечению аутосомных и сцепленных с полом доминантных и рецессивных болезней; 3)хромосомных болезней;
В то же время, если наследственная патология не нарушает здоровья (близорукость, дальтонизм и др.), может достаточно эффективно лечиться (например, некоторые молекулярные болезни, которые можно лечить диетой, или небольшие пороки развития, такие, как, например, заячья губа), или проявляется в позднем возрасте (сахарный диабет, атеросклероз), это не является противопоказанием к деторождению, даже если риск рождения больного ребенка высокий. Таким образом, врач-генетик на заключительном этапе медико-генетического консультирования опирается не столько на риск рождения больного ребенка, сколько на конкретную ситуацию: генетический риск с учетом тяжести течения болезни, продолжительности жизни, возможности лечения, внутриутробной диагностики. Врач-генетик должен давать объективное заключение и помнить, что неблагоприятный для родителей результат всегда является психотравмой, поэтому последний этап консультации рекомендуется проводить через 3-6 месяцев после установления диагноза с тем, чтобы консультируемые лица могли морально подготовиться к врачебному заключению. При благоприятном прогнозе этот срок можно значительно сократить. В работе врача, дающего медико-генетическую консультацию супругам, встречаются большие трудности психологического характера. Задачей врача-генетика является разъяснение пациентам сути поставленного диагноза и определяемой им оценки вероятности рождения в этой семье подобного ребёнка. Все же дальнейшие действия предпринимаются самими пациентами на основании тех решений, которые они приняли после консультации. |
Ваша оценка этого документа будет первой.
Ваша оценка:
Похожие:
База данных защищена авторским правом ©MedZnate 2000-2016
allo, dekanat, ansya, kenam
обратиться к администрации | правообладателям | пользователям
allo, dekanat, ansya, kenam
обратиться к администрации | правообладателям | пользователям