XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

Понятие «геном» был введён чуть позже понятия «генотип». Сейчас эти понятия схожи друг с другом. Геном человека — совокупность наследственного материала, заключенного в клетке человека. Человеческий геном состоит из 23 пар хромосом, находящихся в ядре, а также митохондриальной ДНК. Двадцать две аутосомные хромосомы, две половые хромосомы Х и Y, а также митохондриальная ДНК человека содержат вместе.

Томас Кремер и его команда сделали эксперимент, посредством пучка ультрафиолетового света повредили часть клеточного ядра. Возникла возможность просмотра повреждённых хромосом. Если бы молекулы ДНК располагались по всему клеточному ядру, то повредились бы все хромосомы ядра, однако оказались повреждёнными лишь небольшое количество хромосом.

Благодаря этому эксперименту был сделан вывод, что различные хромосомы внутриклеточного ядра занимают определенные места, которые называются хромосомными территориями. Между этими хромосомными территориями существуют так называемые «сцепки», возникающие благодаря тому, что некоторые участки разных хромосом притягиваются к одинаковым функциональным компартментам. Ввиду всех выше перечисленных соединений возникает единый и при этом относительно «жесткий» хроматиновый домен, который служит основой для всей внутриядерной организации клетки. Теория хромосомных территорий и интер хроматинового домена полностью была сформулирована Томасом Кремером в конце 80-х годов прошлого века. Далее эта теория совершенствовалась и уточнялась по мере появления новых экспериментов.

СВОЙСТВА ГЕНА: дискретность действия - развитие различных признаков контролируется разными генами, находящимися в различных локусах хромосом; стабильность передача наследственной информации в неизменном виде (при отсутствии мутаций); лабильность (неустойчивость) способность к мутациям; Специфичность - каждый ген отвечает за развитие определенного признака; плейотропность - один ген может отвечать за несколько признаков. Например, синдром Марфана характеризующийся «паучими пальцами», высоким сводом стопы, развитием аневризмы аорты связан с дефектом развития соединительной ткани (мутация в гене фибриллина); пенентрантность - частота встречаемости; способность вступать во взаимодействие другими неаллельными генами (полимерия, кодоминрование и др. У человека на гены приходится, повидимому, не более 5% нуклеотидных последовательностей («содержательная часть»). Остальную ДНК раньше называли избыточной, но со временем стало ясно, что она выполняет важные функции, в том числе содержит информацию о том, как, в каком порядке должны включаться гены («регуляторные участки») Большинство вредных мутаций проявляется на ранних этапах развития - в детстве или даже во внутриутробном периоде. Однако некоторые "поломки" генов могут не проявляться до глубокой старости. Ученые нашли гены, мутации в которых связаны с различными формами старческого слабоумия - болезнями Альцгеймера, Паркинсона, Гентингтона. Чума" ХХ века - СПИД - пока неизлечимое заболевание. Но некоторые люди (в Европе около 1-2 %) невосприимчивы к вызывающему СПИД вирусу иммунодефицита человека (ВИЧ) из-за мутации в гене хемокинового рецептора ("посадочная площадка" для вируса). БИОИНФОРМАТИКА Биоинформатика» - уже почти отделившаяся ветвь молекулярной биологии. биоинформатика раздел современной науки, занимающийся раскодированием человеческого генома. это системная биология, позволяющая рассмотреть, изучить и систематизировать глобальную картину биологии. аналог молекулярной биологии с той лишь разницей, что молекулярная биология занимается научными исследованиями а пробирке, а биоинформатика при помощи мощных компьютерных систем. возможность по структуре макромолекулы очень быстро найти гены-мишени и создать новые лекарственные препараты.

Первый в мире оцифрованный человеческий геном формировали в течении 15 лет, и это стоило $3 млрд. Сейчас получить генетический паспорт можно за 1 день и за 1 тысячу долларов. Однако, получив геном, вам нужно его где-то хранить (а он весит 1000 Гб) и как-то анализировать.

Генетический анализ ДНК - это исследование генома человека для диагностики и определения индивидуального риска развития заболеваний и переносимости лекарственных препаратов, а также для получения данных о генетических особенностях, склонностях и способностях человека. Каждый человек имеет уникальный набор генов (генотип), определяющий его индивидуальность и предрасположенность к тому или иному заболеванию

.Зачем мне нужен генетический анализ? Возможно, уже через пару лет этот вопрос покажется вам глупым. Вы же не удивляетесь сейчас, когда врач просит вас сдать анализ крови? А уже очень скоро генетический анализ будет делаться в обязательном порядке каждому ребенку в роддоме и каждому пациенту, который обратился в клинику. Потому что по вашему ДНК можно определить, к каким заболеваниям у вас есть предрасположенность и какие лекарства для вас более эффективны.

Учёные-генетики из США при помощи технологии точного редактирования генов предприняли очередную попытку видоизменить ДНК яйцеклетки человека. Данный эксперимент был проведён с целью избавления будущего потомства от наследственных заболеваний, передающихся эмбриону от родителей. Ряд экспертов-биологов выступили против подобных исследований. В Великобритании, как и во многих других странах, изменение хромосом в яйцеклетке или сперматозоидах человека с целью получения искусственно оплодотворённого эмбриона запрещено законом из-за опасений, что «конструирование младенцев» будет поставлено на поток.

Выяснилось, что множество хронических болезней человека есть проявление генетического груза, риск их развития может быть предсказан задолго до рождения ребенка на свет, и уже появились практические возможности снизить давление этого груза.

Генетический груз включает, с одной стороны, патологические генные мутации, наследуемые от родителей и прародителей, и называемые серегационным грузом, если в виде болезни проявляются рецессивные или нелетальные доминантные мутации генов (от латинского segregatio - выщепление).

С другой стороны, определенную часть этого груза составляют новые, вновь возникшие генные мутации (в результате мутагенных влияний внешней среды). Они не прослеживаются в восходящих поколениях и составляют так называемый мутационный генетический груз.

Согласно данным Н.П.Дубинина, частота спонтанных генных мутаций установлена в пределах 10-10 на геном на поколение. В геноме человека имеется около 100000 генов. Расчеты показывают, что примерно у 10% людей возникают новые мутации, вызванные мутагенным воздействием факторов окружающей среды (радиационный фон Земли, действие продуктов сжигания топлива, влияния вирусов). Безусловно, частота мутаций будет значительно выше в условиях антропогенного загрязнения внешней среды. Каждый человек наследует, как минимум, 10 скрытых мутаций, опасных для здоровья. В целом по А. Кнудсону (1986), величина постнатального генетического груза составляет 0.2 т.е. у 20% членов популяции существует вероятность развития наследственных болезней (моногенных, полигенных или связанных с мутациями генов соматических клеток).

Генетический груз проявляется, как бесплодие и спонтанные аборты, выкидыши и мертворождения, врожденные пороки и умственная отсталость. Он определяет риск гемолитической болезни новорожденных, проявления несовместимости матери и плода по ряду антигенов.

Реализация наследственной информации, заключенной в генотипе организма,- это сложный процесс, который требует тонкой регуляции для того, чтобы в клетках разной тканевой принадлежности в определенное время в процессе развития организма обеспечить синтез специфических белков в необходимом количестве.

Все клетки многоклеточного организма, возникая из зиготы путем митоза, получают полноценный набор генетической информации. Несмотря на это, они отличаются друг от друга по морфологии, биохимическим и функциональным свойствам. В основе этих различий лежит активное функционирование в разных клетках неодинаковых частей генома. 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.

В среднем на один ген в хромосоме человека приходится около 50 тыс. нуклеотидов. Существуют очень короткие гены. Например белок энкефалин, который синтезируется в нейронах головного мозга и влияет на формирование наших положительных эмоций, состоит всего из 5 аминокислот. Следовательно, ген, отвечающий за его синтез, содержит всего около двух десятков нуклеотидов. А самый длинный ген, кодирующий один из мышечных белков, состоит из 2,5 млн нуклеотидов. В геноме человека, так же как и у других млекопитающих, участки ДНК, кодирующие белки, составляют менее 5 % от всей длины хромосом. Остальную, большую часть ДНК раньше называли избыточной, но теперь стало ясно, что она выполняет очень важные регуляторные функции, определяя, в каких клетках и когда должны функционировать те или иные гены. У более просто организованных прокариотических организмов, геном которых представлен одной кольцевой молекулой ДНК, на кодирующую часть приходится до 90 % от всего генома. Все десятки тысяч генов не работают одновременно в каждой клетке многоклеточного организма, этого не требуется. Существующая специализация между клетками определяется избирательным функционированием определенных генов. Мышечной клетке не надо синтезировать кератин, а нервной - мышечные белки. Хотя надо отметить, что существует довольно большая группа генов, которые работают практически постоянно во всех клетках. Это гены, в которых закодирована информация о белках, необходимых для осуществления жизненно важных функций клетки, таких, как редупликация, транскрипция, синтез АТФ и многие другие. В соответствии с современными научными представлениями, ген эукариотических клеток, кодирующий определенный белок, всегда состоит из нескольких обязательных элементов. Как правило, в начале и в конце гена располагаются специальные регуляторные участки; они определяют, когда, при каких обстоятельствах и в каких тканях будет работать этот ген. Подобные регуляторные участки дополнительно могут находиться и вне гена, располагаясь достаточно далеко, но, тем не менее, активно участвуя в его управлении. Кроме регуляторных зон существует структурная часть гена, которая собственно и содержит информацию о первичной структуре соответствующего белка. У большинства генов эукариот она существенно короче регуляторной зоны.

Современная биотехнология использует биологические методы для борьбы с загрязнениями окружающей среды, для защиты растений от вредителей и болезней, производства биологически активных веществ (вакцин, витаминов, гормонов, ферментов и др.). Современная биотехнология использует биологические методы для борьбы с загрязнениями окружающей среды, для защиты растений от вредителей и болезней, производства биологически активных веществ (вакцин, витаминов, гормонов, ферментов и др.). На основе микробиологического синтеза разработаны промышленные методы получения белков, аминокислот, антибиотиков и т.п. На основе микробиологического синтеза разработаны промышленные методы получения белков, аминокислот, антибиотиков и т.п.

Для генома человека характерна стабильная, эволюционно обусловленная структура; ее индивидуальные различия составляют в среднем менее 0.01%. Генетическим разнообразием внутри вида мы обязаны небольшим изменениям в геноме на уровне нуклеотидных замен, вставок, выпадений либо более крупномасштабным событиям, таким как вариации числа копий (CNV). Вариация числа копий в современных терминах – это изменение стандартного количества копий участка генома размером более 50 п.о. CNV могут приходиться как на гены, так и на некодирующие последовательности, что в свою очередь приводит к изменению дозы гена, меняет его экспрессию на регуляторном уровне или никак не проявляется. Некоторые СNV имеют клинические проявления, оказываются причиной патологии, тогда как другие не влияют на фенотип их носителя. Результаты нескольких исследований обнаруживают связь между CNV в определенных участках генома и заболеваниями ЦНС, предрасположенностью к психическим заболеваниям, аутизму. С внедрением в клиническую практику методов молекулярного кариотипирования количество данных по CNV значительно возросло. В существующих базах данных, например DGV, содержится полезная информация о локализации CNV, их частоте, затронутых генах, что позволяет сделать правильные выводы по результатам исследований индивидуальных генетических особенностей пациента. Однако в международных базах данных CNV российская популяция представлена лишь небольшими группами в составе крупномасштабных исследований. Сравнение результатов анализа CNV у представителя российской популяции с доступными на сегодняшний день данными может оказаться некорректным, так как частоты вариаций могут иметь отличия между популяциями. Например, показано, что результаты широкогеномных ассоциативных исследований (в особенности из-за паттернов неравновесного сцепления), меняются в зависимости от исследуемой популяции. Более рационально было бы использовать в клинической практике в качестве референсных данные по CNV с учетом популяционных отличий, либо нужны качественные исследования, указывающие на их отсутствие. В настоящий момент запущен проект “Российские геномы”, отсеквенировано более 500 геномов, часть из которых уже оцифрована, однако создание базы данных CNV по-прежнему рассматривается в перспективе.

В лаборатории молекулярно-генетических методов ФГБУ НМИЦ АГП им. Кулакова в рамках проведения неинвазивного пренатального ДНК-скрининга (НИПС) анеуплоидий было отсеквенировано с ультранизким покрытием (менее 0.4х) порядка 1000 геномов беременных женщин. Доля плодовой ДНК составляет порядка 4 - 20%. Оставшаяся доля ДНК приходится на материнскую и обычно никак не используется в дальнейшем. Существуют отдельные исследования влияния CNV у матери на получение ложноположительных результатов НИПС. Также в литературе освещен клинический случай обнаружения в ходе НИПС хромосомных перестроек у матери вследствие множественной миеломы на ранней стадии.] Однако в основном информация, полученная в ходе НИПС, исчерпывается исследованием хромосомного статуса плода (возможна также детекция CNV размером более 10 Мб при достаточной доле плодовой ДНК -15 %]).В то же время к настоящему моменту появилось большое количество разнообразных биоинформатические инструментов, которые позволяют исследовать CNV на основе данных NGS. Например, в третьей фазе проекта 1000 геномов информация по структурным вариациям была получена именно этим способом.] Некоторые методы подходят для генома с низким покрытием. Таким образом, учитывая масштаб применения НИПС во многих странах, эти данные могли бы послужить источником ценной информации о CNV в популяции у женщин и быть использованными в качестве референсных для сравнения в клинике в частности и популяционных исследованиях в общем.

Список литературы:

Балановская Е.В., Балановский О.П., Спицын В.А. и др. Русский генофонд. Геногеография сывороточных генных маркеров (Hp, Gc, Pi, Tf) // Генетика. 2001. — т.37, №8. — С. 1125-1137.

Харьков В.Н., Хамина К.В., Медведева О.Ф., Симонова К.В., Еремина Е.Р., Степанов В.А. ГЕНОФОНД БУРЯТ: КЛИНАЛЬНАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ И ТЕРРИТОРИАЛЬНАЯ ПОДРАЗДЕЛЕННОСТЬ ПО МАРКЕРАМ Y-ХРОМОСОМЫ // Генетика. 2014. Т. 50. № 2. С. 203-213

Харьков В.Н., Хамина К.В., Медведева О.Ф., Симонова К.В., Хитринская И.Ю., Степанов В.А. СТРУКТУРА ГЕНОФОНДА ТУВИНЦЕВ ПО МАРКЕРАМ Y-ХРОМОСОМЫ // Генетика. 2013. Т. 49. № 12. С. 1416.

Хуснутдинова Э. К., Литвинов С. С., Кутуев И. А., Юнусбаев Б. Б., Хусаинова Р. И., Ахметова В. Л., Ахатова Ф. С., Метспалу Э., Роотси С., Виллемс Р. (2012) Генофонд этнических групп Кавказа по данным комплексного исследования Y-хромосомы, митохондриальной ДНК и полногеномного анализа . Генетика. 48(6): 750-61.

Айала Ф., Кайдегер Дж.. Современная генетика: т.2. М.: Мир, 1988.

Биология: в 2 кн. Кн. 1: Жизнь. Гены. Клетка. Онтогенез. Человек./ под. ред. В.Н.Ярыгина.

Тарантул В.З. Геном человека: Энциклопедия, написанная четырьмя буквами. – М.: Языки славянской культуры, 2003. – 392 с.

Корочкин Л.И. и др. Геном, клонирование, происхождение человека. – Фрязино: “Век 2”, 2004. – 224 с.

Захаров А.Ф., Бенюш В.А., Кулешов Н.П., Барановская Л.И. Хромосомы человека (атлас). - М.: Медицина,1982.

Заяц Р.Г., Бутвиловский В.Э., Рачковская И.В., Давыдов В.В. Общая и медицинская генетика. - Ростов-на-Дону: Феникс, 2002. – 320 с.

Код для цитирования: Скопировать