Академия. Курс "Генетика" (Genetics). Конспект 5 недели.
Продолжаю изучать курс "Генетика" (Genetics) от Новосибирского государственного университета (Анна Юшкова). В рамках проекта Академия от ontofractal, делюсь с вами конспектом 5 недели.
Секвенирование геномов
Секвенирование - определение последовательности нуклеотидов в ДНК.
Первые методики были разработаны в 1970-х годах, но за один эксперимент определялось несколько сотен нуклеотидов.
Методика обрыва цепи.
Проект "Геном человека" - самый масштабный проект по секвенированию.
В секвенаторах нового поколения используется методика массового копирования определенного небольшого
участка ДНК.
Появились генетические тесты, которые могу определить предрасположенность человека к разным заболеваниям, выявить некоторые генные мутации.
Секвенировано много геномов: человек, шимпанзе, мушки Дрозофила, комнатной мухи, крысы, мыши, кролика, курицы, дельфина, многоножки и т.д.
Секвенирование генома мухи Цеце - переносчика трипаносомы(возбудитель сонной болезни) позволило определить, что ее привлекает синий цвет, что важно для разработки ловушек.
Секвенирование генома сколопендры выявило принципиальную разницу между насекомыми и многоножками на генетическом уровне.
Сравнение геномов позволяет реконструировать события прошлого, например: возникновение вида Homo Sapiens или пути миграции современных народов.
Сейчас реализуется проект Fantom, он заключается в составлении карты генов, работающих в определенных клетках млекопитающих. При этом используется метод кэп-анализа эксперсии генов, который позволяет осуществить количественный анализ активности генов. Таким образом можно сопоставить белки и локусы, а значит понять, какие изменения в геноме приводят к различным заболеваниям.
Человек и шимпанзе
По внутреннему строению и внешним особенностям человек - это примат. Рассмотрим на генетические сходства и отличия между человеком и ближайшим родственником - шимпанзе.
Геномы человека и шимпанзе отличаются всего на 1,5%. Идентичны гены гемоглобина. Проведено сравнение митохондриальной ДНК, она отличается на 9%, это связанно с тем, что мутации в ней накапливаются в 5-10 раз быстрее, чем в ядерной.
Имея представления о скорости появления мутаций, можно сказать, что предки шимпанзе и человека отделились 6-7 миллионов лет назад.
Псевдогены - гены, которые кодировали полезные белки, но со временем эти белки утратили свою значимость и накопили мутации. По псеводгенам можно выстроить историю адаптации предков организма.
Теперь поговорим про различия.
В гене FOXP2, который отвечает за регуляцию развития мозга, легких, кишечника, а так же за способность к членораздельной речи, есть 2 изменения.
А ген SRGAP2 представлен у человека 3мя копиями, в то время, как у шимпанзе только одной, это привело к изменениям в нейронах.
Скорость мутаногенеза человека выше, чем у остальных приматов, поэтому в некоторых локусах есть существенные отличия даже в тех генах, которые не сильно менялись у всех млекопитающих, например, между шимпанзе и курицей в гене HAR-1 только различия, а между человеком и шимпанзе в этом гене 18 отличий.
Ускоренный мутаногенез наблюдается в основном в генах регуляторных белков. Мутации в гене HAR-1 привели к развитию нейронов неокортекса, а мутации в гене HAR-2 привели развитию прямохождение
Палегенетика
Успехи в молекулярной генетике начали развивать эволюционную биологию. Благодаря сравнению геномов разных организмов(в том числе ископаемых) построены более точные филогенетические деревья - схемы, на который указаны эволюционные пути разных видов.
Исследователям приходится работать с ДНК ископаемых, проблема в том, что ДНК сохраняется не дольше 70 тыс. лет, на это еще накладывается замусоренность современной, обычно бактериальной, ДНК.
Особый интерес представляет сравнение ДНК ископаемых предков человека и ДНК современных людей. Имея древнюю ДНК представителей рода Homo, можно показать, кто от кого произошел.
Уже отсеквенированы ядерные геномы представителей неандертальцев(живших от 30 до 300 тыс. лет назад) и денисовцев(живших 30-50 тыс. лет назад). При этом геном современного человека и неандертальцев отличается на 0.16%, а геном современного человека и денисовца отличается почти на 1%, при этом большая часть отличий нейтральны.
Генетические Адам и Ева
Анализ ДНК современных людей позволяет выявить время происхождения и пути миграций разных групп людей. Возраст общей предковой группы двух современных людей рассчитывают по количеству разных нейтральных мутаций, при этом считается, что скорость мутрования постоянна. Для таких исследований обычно берут митохондриальную ДНК, так как ее размеры меньше, а клетки содержат множество ее копий.
У всех млекопитающий митохондриальная ДНК наследуется только по женской линии. Этот факт позволяет сказать, что все митохондриальные ДНК современных людей произошли от общей прародительницы, которую называют "митохондриальной Евой", жившей в Африке 180-200 тыс. лет назад.
Анализ Y-хромосомы дал данные об общем мужском предке - Адаме, который жил 80 тыс. лет назад в Африке.
Генетическая экспертиза
Изучая ДНК человека британский генетик А. Джеффрис заметил, что у разных людей есть уникальные цепочки ДНК. Вероятность того, что у двух людей, не являющихся однояйцевыми близнецами, будет одинаковая ДНК очень мала, поэтому последовательность ДНК можно использовать, как идентификатор.
Замечено такое явление, как тандемный поворот. В молчащей ДНК часто повторяются комбинации из 3-4 нуклеотидов, в нашем примере повторяются TAGA.
...GTACAAGAGTAGATAGATAGATAGATAGATAGATAGATAGATAGATAGATAGATAGATAGATAGATAGACTGGTG...
Так же найдены одиночные нуклеотидные замены (SNP), механизм их образования схож с мутаногенезом, но это явление реже тандемного поворота. Пример одиночной нуклеотидной замены:
...GTAC(A)GAGCTGGTG... и ...GTAC(Т)GAGCTGGTG...
В скобках отличающийся нуклеотид. Подобное отличие становится SNP, если встречается в популяции чаще 1%.
По коротким тандемным поворотам можно изучать родственные связи в пределах тысяч лет.
Индивидуальность ДНК каждого человека используется при установлении отцовства и расследованиях уголовных дел.
Для сравнения ДНК, ее разрезают на кусочки, такие, что в них находятся тандемные повороты, а далее оценивают длину тандемных поворотов методом электрофореза.
Генодиагностика
ДНК-диагностика или генодиагностика - область медицины, использующая молекулярно-генетические методы для выявления предрасположенностей к болезням. Анализ ДНК на наличие мутаций наследственных заболеваний широко применяется. Метод основан на применении специальных зондов, которые маркируют наличие определенной последовательности нуклеотидов в изучаемой ДНК.
Сегодня известны последовательности нуклеотдиов во многих генах - нормальных и мутантных - созданы генные библиотеки. Самый значимый каталог генов - каталог генов рака, которые называют протоонкогены.
Злокачественные опухоли имеют разную природу, среди них немало тех, которые образуются из-за мутаций в структурных и регуляторных зонах генов. Самый распространенный случай - аномалии генов, контролирующих нормальный рост груди, с ними связаны 10% случаев рака молочной железы. Иногда причиной злокачетсвенной опухоли является чрезмерная экспрессия протоонкогена.
Создание атласа раковых генов позволит диагностировать злокачественные опухоли на самых ранних этапах их образования, а значит эффективно с ними бороться.
Генодиагностика использует микрочипы с ДНК для определения идентичности участка исследуемой ДНК гену какого-то белка, таким образом, если у пациента мутация в этом гене, то это сразу обнаруживается.
Генодиагностика позволяет диагноситровать заболевание даже при отсутствии ярко выраженных симптомов и является перспективным, но дорогостоящим на данный момент направлением медицины.
Трансгенные организмы
Организмы, имеющие гены неродственных видов, называются трансгенными, а процесс переноса ДНК от одного организма к другому называют трансгенезом.
Нужный фрагмент ДНК выделяется с помощью белков-рестриктаз, размножается методом полноразмерной цепной реакции, в котором ключевую роль играет ДНК-полимераза, встраивается в организм 2мя способами. Первый способ - на основе бактериальных плазмид, второй - на основе вирусов. Далее получают плазмиду с нужным фрагментом ДНК и встраивают ее в бактерию. Бактерии размножаются, размножая нужную ДНК.
Вектор - искусственная генетическая конструкция, содержащая необходимый ген и дополнительные регуляторные участки, используемая для переноса генетического материала в клетки.
Если задача состоит в получении белкового продукта, а исходная ДНК эукариотическая, то придется синтезировать ее на бактериальных рибосомах, используя эукариотическую м-РНК.
Далее возникает еще одна трудность: не все бактерии поглотят нужные плазмиды, поэтому в них(плазмиды) встаривают ген устойчивости к какому-то антибиотику, а бактерии обрабатывают этим антибиотиком. Таким образом остаются только трансгенные клетки.
Более сложная задача - встроить нужную ДНК в эукариотческую клетку, так как для нее не характерен захват плазмид. В таком случае молекула ДНК должна преодолеть клеточную стенку, если речь идет не о животных, клеточную мембрану, ядерную мембрану, встроиться в хромосому, при этом оказаться активной и не испортить другие гены.
Пока не существует методов, при использовании которых образование любой трансгенной эукариотческой клетки не является случайным процессом.
При работе с двудольными растениями можно использовать почвенные бактерии, которые передают свои плазмиды растительным клеткам.
Перспективным является метод искусственных хромосом млекопитающих, в таком случае ДНК будет достаточно долго удерживаться в клетке.
Для встраивания крупных участков ДНК используют вирусов, способных проникать в клетку и встраивать свою ДНК в ДНК клетки.
Итак, в какие-то эукариотические клетки встроена нужна последовательность ДНК, что бы отделить трансгенные клетки от обычных исходную ДНК дополняют специальным геном, который кодирует белок свечения.
Еще более сложная, но реальная задача - получение трансгенных животных, так как например млекопитающие может вырасти только из оплодотворенной яйцеклетки и только внутри материнского организма.
Трансгенные животные используются для моделирования заболеваний человека, а так же для получения нужных белков.
Генотерапия
Генотерапия представляет собой введение в организм генетических конструкций с целью направленного исправления генных дефектов или придания клеткам новых функций. В первую очередь моногенные заболевания возможно вылечить с помощью генотерапии.
Обычно в случаях генной терапии берутся клетки организма, модифицируются в культуре и возвращаются в организм, в качестве трансгенных клеток. Зачастую используются клетки печени.
Сейчас осуществлено немало успешных генных терапий, несмотря на имунную реакцию организма на векторы.
С помощью генотерапии были вылечены люди с такими заболеваниями: комбинированный иммунодефицит, гиперхолистеринемия, гемофилия.
Еще одно перспективное направление медицины - трансплантация органов. Проведен удачный эксперимент, в котором клетки красного костного мозга и фибробластов кожи при опредленных модификациях становятся клетками костной ткани.
Перспективы
Сейчас прочитан геном человека, это достижение породило ряд других задач, например, описание работы генов, из влияние на организм.
Процесс создания м-РНК на основе ДНК называется транскрипцией, а совокупность всех м-РНК в каком-то структурном элементе организма(клетке, органе и т.п.) называют транскриптом. Транскрипт - продукт эксперсии генома, но описание генома не дает полной информации о транскрипте и наоборот. Генотип характеризует организм, а транкриптом - отдельные его структурные элементы. Кроме транскриптома и генома выделяют понятие протеом - набор белков. Стоит заметить, что протеом меняется вместе с транскриптомом в течение времени внутри клетки.
Активно развивается следующие направления биологии:
1) Молекулярная медицина.
2) Изучение зависимости фармакологического ответа от генов пациента.
3) Регенеративная медицина.
4) Изучение злокачественных опухолей и выявление их генетических причин.
5) Изучение старения с точки зрения генетики.
6) Воскрешение вымерших видов.
Что меня больше всего впечатлило на этой недели или было интересно?
Меня не перестает впечатлять грандиозность всей этой конструкции под названием человеческий организм. Но, что самое удивительное, что я в нем же нахожусь. Я, который, по ночам может объедаться тортиками или стесняться позвонить по телефону - в основе своей - целый мир, по сложности конструкции сопоставимый с огромным научным институтом. Как это все во мне умещается? И как это умещается в каждом? Каждый прохожий и каждый мрачный сосед в метро - это чудо.