Генетика Лекции ИД Равновесие
|
|
|
|
Лекция 4. Характеристика генома человека
1. Понятие наследственности и изменчивости Наследственность и изменчивость обеспечиваются функционированием особого материального субстрата (генетического аппарата). На современном этапе представления о природе генетического аппарата позволяют выделить три уровня его организации: генный, хромосомный, геномный. При этом термин "геном" означает полный состав ДНК клетки, то есть совокупность всех генов и межгенных участков. Можно считать, что геном - полный набор инструкций для формирования и функционирования индивида. Общие принципы построения геномов и их структурно-функциональную организацию изучает геномика. В рамках этого направления проводится секвенирование, картирование и идентификация функций генов и внегенных элементов. Задачей геномики является расшифровка новых биологических систем и процессов. Геномика человека является основой молекулярной медицины и имеет большое значение для разработки методов диагностики, лечения и профилактики наследственных и ненаследственных заболеваний. Большое значение для медицины имеют исследования в области геномики патогенных микроорганизмов. Полученные в этих исследований результаты ценны для понимания инфекционного процесса и позволяют создавать лекарства, действующие на специфические мишени бактерий.
2. Направления геномики Геномикаподразделяется на несколько почти самостоятельных направлений: структурную, функциональную, сравнительную, эволюционную, медицинскую геномику. Структурная геномика изучает последовательность нуклеотидов в геномах, определяет строение и границы генов, межгенных участков и других структурных генетических элементов. Функциональная геномика идентифицирует функции каждого гена и участка генома, их взаимодействие в клеточной системе. Сравнительная геномика изучает сходства и различия в организации геномов разных организмов с целью выяснения общих закономерностей их строения и функционирования. Эволюционная геномика объясняет пути эволюции геномов, происхождение генетического полиморфизма и биоразнообразия, роль горизонтального переноса генов. Медицинская геномика решает прикладные вопросы клинической и профилактической медицины на основе знания геномов человека и патогенных организмов (например, диагностика наследственных болезней, генотерапия, причины вирулентности болезнетворных микроорганизмов). Геномика микроорганизмов имеет прямое отношение к клинической медицине. Структурные и функциональные исследования геномов патогенных бактерий показали их высокую пластичность. Эти представления имеют непосредственное практическое значение:
они используются для разработки экспресс-методов типирования бактерий и оценки риска бактериальной контаминации;
для создания лекарств, направленных на специфические мишени, блокирующие работу генов патогенности;
для более целенаправленного создания вакцин.
Практическое приложение сведений о нуклеотидной последовательности геномов многих патогенных вирусов уже широко реализуется. Генно-инженерным путем создаются непатогенные фрагменты геномов вирусов. Такие фрагменты способны к экспрессии в высоких концентрациях белков вирусов, которые необходимы для приготовления диагностических и вакцинальных препаратов. Развивается технология приготовления ДНК-вакцин против СПИДа, гепатита С и других вирусных инфекций. В предыдущие годы основное внимание в изучении наследственности человека было сосредоточено на структурной геномике, теперь же основные исследования проводятся в русле функциональной геномики. С точки зрения общей патологии произошло изменение направления изучения от этиологии наследственных болезней (специфические мутации) к их патогенезу (механизмы формирования патологического фенотипа). Акцент в изучении наследственной патологии сместился с моногенных болезней и анализа одного гена в сторону мультифакториальных болезней, анализа множественных генов и изучения предрасположенности.
3. Организация генома Организация генома человека (как и каждого эукариотического вида) представляет собой последовательную иерархию элементов: нуклеотидов, генов с межгенными участками, сложных генов, плеч хромосом, хромосом, гаплоидного набора вместе с внеядерной ДНК.
Основное внимание в генетике всегда уделялось гену, который и является элементарной функциональной единицей наследственности, определяющей возможность развития отдельного признака клетки или организма. Передачей генов в ряду поколений клеток или организмов достигается материальная преемственность - наследование потомками признаков родителей. Основные свойства гена как функциональной единицы материала наследственности и изменчивости определяются его химической организацией.
Исследования химической природы наследственного материала, неопровержимо доказали, что материальным субстратом наследственности и изменчивости являются нуклеиновые кислоты. Это полимеры, состоящие из мономеров-нуклеотидов, включающих три компонента: сахар (пентозу), фосфат и азотистое основание. Среди нуклеиновых кислот различают два вида соединений: дезоксирибонуклеиновую (ДНК) и рибонуклеиновую (РНК) кислоты. Более химически устойчивым компонентом является ДНК, которая и представляет собой субстрат наследственности и изменчивости. Согласно модели Д. Уотсона и Ф. Крика, молекула ДНК представляет собой замкнутую спиралевидную двойную цепь, звенья которой составляют нуклеотиды. Каждый нуклеотид состоит из сахара - дезоксирибозы, фосфорной кислоты и одного азотистого - пуринового (аденин, гуанин) или пиримидинового (цитозин, тимин) основания. Азотистое основание в каждом нуклеотиде соединено с молекулой дезоксирибозы. Все нуклеотиды связаны между собой через дезоксирибозу и остатки фосфорной кислоты. Следовательно, нить ДНК состоит из чередующихся молекул оксирибозы, фосфорной кислоты и азотистых оснований. Нити ДНК соединены друг с другом водородными атомами через азотистые основания так, что против пуринового основания всегда располагается пиримидиновое. Такими парами являются аденин и тимин, гуанин и цитозин. Эти пары оснований называются комплементарными. Одним из основных свойств материала наследственности является его способность к самокопированию - репликации.