Введение в молекулярную биологию. 3 страница

2% ДНК, отличные у нас и шимпанзе, должны создавать все радикальные различия между нами, в том числе и в строении головного мозга.

Согласно выводам международной исследовательской группы, человеческая ветвь отделилась от общего с приматами генеалогического дерева от 2 до 7 миллионов лет назад. Вероятной причиной этого могла быть утрата человеческими предками единственного гена, которая произошла буквально перед тем, как скромный предшественник великого Нomo sapiens поднялся на задние конечности, а, может, и вскоре после этого. Этот утраченный ген контролирует синтез одного из сахаров, который называется Neu5Gc и расположен на внешней стороне мембраны всех клеток организма.

Дело в том, что поверхность всех клеток нашего тела несет определённые молекулы, в частности, сахара, которые отвечают за большое количество функций. Например – за способность клетки захватывать из межклеточной жидкости те или другие вещества, за взаимную координацию клеток при росте организма и т.д. От этих молекул также зависит способность клетки быть поражённой вирусом или иным возбудителем: нет молекулы, с которой взаимодействуют рецепторы патогена, и организм устойчив к инфекции. Не исключено, что ген, отсутствующий у человека, мог отвечать за процессы формирования нервной ткани. Когда произошла его утрата, древние человекообразные существа уже сильно напоминали современного человека по строению конечностей и другим признакам, не исключено, также, что он уже был прямоходящим. Он был очень похож на современного человека, но не совсем. Основное отличие состояло в том, что объём головного мозга был не больше, чем у шимпанзе. Значит 2% ДНК, отличной у нас и шимпанзе, и должны создавать все радикальные отличия между нами, в том числе в строении головного мозга. И ген Neu5Gc, продукт деятельности которого представлен на каждой клетке организма, вполне претендует на эту роль. Сейчас учёные занимаются обработкой полученных результатов и прогнозами того, какие это может иметь последствия.

Сегодня ученые многих стран ведут охоту за «подлинно человеческими» особенностями в геноме человека, и первые результаты – один другого интереснее – уже получены. Например, выявлены различия в генах человека и шимпанзе, связанные с эмоциональной регуляцией поведения (эти различия могли изменить мотивацию наших поступков); найдено 1500 различий в генах, связанных с онкологией (это поможет выяснить, почему шимпанзе почти не болеют раком).

Недавно обнаружилось, что эволюционный путь от обезьяны к человеку сопровождался множеством потерь. Некоторые гены, которые у шимпанзе нормально работают, у человека выключились, превратились в молчащие «псевдогены». До сих пор было известно около десятка таких генов. В 1999 году М. Олсон предложил гипотезу, известную под названием «less is more» («меньше значит больше»), согласно которой утрата генов может открывать путь для прогрессивных преобразований. Например, выключение гена MYH16 привело к уменьшению (редукции) жевательной мускулатуры у предков рода Homo, а это, в свою очередь, позволило мозгу начать увеличиваться. Группа американских ученых обнаружила в геноме человека еще около 50 молчащих генов, аналоги которых у шимпанзе вполне нормально функционируют. Работают они и у других обезьян, фрагменты генома которых уже прочтены.

Среди выключившихся генов многие оказались связаны с обонянием и иммунитетом. Обонятельные гены могли отключиться просто «за ненадобностью». В борьбе за выживание хороший нюх едва ли давал нашим предкам большое преимущество, и естественный отбор не выбраковывал особей со слабым обонянием. Но как естественный отбор мог допустить потерю генов иммунной защиты? Ученые Мичиганского университета считают, что это объясняется изменением условий жизни наших предков, а также тем, что иммунная система иногда может вредить организму излишней бдительностью. Неумеренная агрессивность иммунной системы порой ведет к опасным «аутоиммунным» заболеваниям, таким как рассеянный склероз. У мышей с искусственно выключенным иммунным геном Mbl1 реже развивается сепсис, так что отключение этого гена повышает выживаемость.

Человеческий ген Mbl1, как выяснилось, выключен у 100% лиц внеафриканского происхождения и у 89% африканцев. «Испортившая» его мутация возникла около 60 тысяч лет назад, незадолго до выхода наших предков из африканской прародины. Носители мутации явно получили какое-то важное преимущество, потому что мутация начала быстро распространяться в популяции.

Об этом говорит анализ изменчивости прилегающих участков ДНК. Как и следовало ожидать, исходя из гипотезы о позитивном отборе, вариабельность этих участков оказалась ниже у лиц с выключенным геном по сравнению с носителями исходного «рабочего» варианта. Для остальных отключенных генов доказать прямое действие отбора сложнее: они замолчали раньше, и следы отбора уже стерлись. Но и одного примера достаточно, чтобы показать, что утрата генов могла быть выгодна нашим предкам.

Повышенный уровень отключения («псевдогенизации») среди обонятельных и иммунных генов может иметь и иное объяснение. Дело в том, что между обонятельной и иммунной системами существует глубокая и не до конца еще понятая связь. Согласно недавно выдвинутой гипотезе, обе эти системы играют важную роль в регуляции социальных отношений и выборе брачных партнеров: запах партнера, возможно, играет решающую роль при возникновении влечения. Возможно, отключение соответствующих генов в ходе эволюции человека было связано с растущей ролью разумной, сознательной регуляции общественных отношений, для которой более архаичные механизмы контроля социального поведения могли быть помехой.

Вместе с тем М. г., позволившая глубоко проникнуть в природу важнейших жизненных процессов и успешно продолжающая их исследование, отнюдь не претендует на решение многих, в т. ч. и генетических, проблем, касающихся целостного организма, а тем более совокупностей организмов — популяций, видов, биоценозов и т. д., где преобладают закономерности, изучение которых требует иных методов, чем те, какие использует М. г.

Достижения М. г., внёсшие огромный теоретический вклад в общую биологию, несомненно, будут широко использованы в прак­тике. Возможно, наиболее ярко практический потенциал молекулярной генетики проявляется в биомедицинских исследованиях. Здесь использование молекулярно-генетических подходов многопланово:

—идентификация генов, ответственных за возникно­вение наследственных, приобретенных заболеваний и болезней, в которых значительную роль играют генети­ческие факторы;

анализ генетических систем, ответственных за ме­таболизм лекарственных препаратов в организме (фармакокинетику), их полиморфизма и корреляции этого полиморфизма с различной устойчивостью индивидуу­мов и популяций к действию лекарственных препаратов;

анализ генетических систем, кодирующих мише­ни воздействия лекарственных препаратов в организ­ме (фармакодинамику), их полиморфизма и роли это­го полиморфизма в различной восприимчивости к ле­карствам;

развитие систем лечения, основанных на введении в организм новой генетической информации, призван­ной исправлять наследственные или приобретенные генетические дефекты или подавлять генетические изме­нения, связанные с проникновением инфекционных агентов (генная терапия);

развитие группоспецифических средств лечения, основанных на нацеленном применении лекарственных препаратов в генетически охарактеризованных группах, проявляющих к ним восприимчивость и не подвержен­ных побочным эффектам;

развитие интенсивных методов диагностики, осно­ванных на выявлении генетических дефектов на уровне целого генома и продуктов его экспрессии;

переход в диагностике к скринингу популяций и от диагноза болезней к выявлению предрасположенности к болезни.

Перспек­тивность практического применения достиже­ний М. г. подтверждается успехами, до­стигнутыми на модельных объектах. Так, у наиболее изученных в генетическом отноше­нии видов бактерий удаётся получать му­тации любого гена, лишать клетку какого-либо гена или привносить в неё желаемый ген извне, регулировать функции многих генов. Так, еще в 1971 американский учёный С. Меррилл с сот­рудниками, культивируя вне организма клетки человека, больного галактоземией (такие клетки неспособны вырабатывать один из ферментов, необходимых для ути­лизации молочного сахара, что и является причиной этой тяжёлой наследственнойI болезни), ввели в эти клетки неинфекционный для них бактериальный вирус, содержащий ген, кодирующий данный фермент. В результате клетки «излечились» — стали синтезировать недостающий фермент и передавать эту способ­ность последующим клеточным поколе­ниям. Уже сейчас данные М. г. используют при создании медикаментов, применяемых для профилактики и лечения новообразований, лейкозов, вирусных ин­фекций, лучевых поражений, при изыска­нии новых мутагенов и т. д.

Достижения молекулярной биологии и генетики успешно используются при производстве судебно-медицинской идентификационной экспертизы. Молекулярно-генетический идентификационный анализ, традиционно называемый геномной (генетической) «дактилоскопией» (термин введен в 1985 г. Джеффрисом), или генотипированием, по своей сути направлен на выявление индивидуальных особенностей генетической конституции конкретного человека. Этот подход не имеет аналогов среди использовавшихся ранее методов судебно-экспертной идентификации личности. Два основополагающих принципа - индивидуальная генетическая уникальность каждого организма и генетическая идентичность всех его клеток и тканей — составляют концептуальную основу молекулярно-генетической индивидуализации.

Молекулярно-генетический идентификационный анализ позволяет исследовать особые участки ДНК, строго специфичные для каждого индивидуума, и получить, таким образом, уникальный генетический «паспорт» или «удостоверение личности» человека, которое нельзя ни скрыть, ни изменить, ни подделать. Индивидуализирующие признаки, определяемые на уровне ДНК, характеризуются почти абсолютной устойчивостью, то есть сохраняются в организме человека неизменными всю его жизнь и неизменными отображаются в его биологических следах. Поэтому идентификационная значимость генетических признаков чрезвычайно высока.

Типирование ДНК ныне стало наиболее доказательным методом анализа биологического материала при производстве судебно-медицинской идентификационной экспертизы. Эти технологии прочно вошли в арсенал экспертной деятельности судебно-медицинских служб большинства развитых стран мира. Применительно к задачам судебно-медицинской экспертизы генетические методы особенно эффективны в двух случаях: идентификации личности и установления биологического родства.

В первую очередь, речь идет об идентификации личности при расследовании убийств, тяжких телесных повреждений, изнасилований и других преступлений, требующих судебно-медицинского исследования вещественных доказательств, а также при опознании расчлененных или сильно разрушенных трупов, например, в случаях массовых природных и техногенных катастроф и военных конфликтов. Однако геномная «дактилоскопия», в отличие от традиционной криминалистической дактилоскопии, позволяет не только однозначно устанавливать личность, но и определять кровное родство лиц. Это делает ее незаменимым экспертным методом в сложных случаях подмены, утери, похищения детей, определения родства малолетних или потерявших память лиц, выявления фактов кровосмешения. Метод также весьма эффективно используется и в решении гражданских дел - установлении отцовства или материнства. Возможно даже пренатальное исследование, позволяющее устанавливать отцовство в процессе беременности, то есть до рождения ребенка.

Молекулярная медицина. Благодаря стремительному развитию таких направлений биологической науки, как молекулярная биология, молекулярная генетика, генетическая инженерия и др. возникла абсолютно новая область науки молекулярная медицина. Расшифровка первичной структуры генома человека позволяет развивать такие разделы молекулярной медицины как функциональная геномика и геномная дактилоскопия, молекулярная диагностика, фармокогенетика и генная терапия.

Практическое приложение сведений о нуклеотидной последовательности геномов многих патогенных вирусов уже широко реализуется. Генно-инже­нерным путём создаются непатогенные фрагменты геномов вирусов в составе плазмидных векторов. Такие векторы с вирусом способны к экспрессии в высоких концентрациях белков вирусов, которые необходимы для приготов­ления диагностических и вакцинных препаратов. Развивается технология по­лучения ДНК-вакцин против СПИДа, гепатита С и других вирусных инфек­ций. Создана эффективная рекомбинантная вакцина против гепатита В.

Как и в геномике патогенных бактерий, сведения о функциональных свой­ствах отдельных участков геномов вирусов служат основой для молекулярного дизайна лекарственных средств, эффективно подавляющих размножение ви­руса в клетке.

Научными задачами молекулярной медицины является идентификация структурных и регуляторных генов человека, изучение их экспрессии и регуляции, выяснение генной природы и молекулярных механизмов наследственных болезней, роли генетических факторов в этиологии и патогенезе различных патологических состояний, в том числе и инфекционной этиологии.

Для большинства наследственных болезней уже разработаны точные и эффективные методы диагностики на любой стадии онтогенеза, в том числе и пренатальной. Метод ДНК-диагностики позволяет установить нарушения в структуре и регуляции генов. Так, мышечная дистрофия Дюшена наиболее распространенное нервно-мышечное заболевание, которое встречается с частотой 1:5000 мальчиков – младенцев. Причиной болезни являются мутации гена белка дистрофина, который локализован в коротком плече Х-хромосомы.

Известны размеры гена (2,4 млн. пар оснований), размер матричной РНК (14 тысяч оснований) и белка дистрофина (427 кДа), а также функция последнего – стабилизация сарколеммы (цитоплазматическая мембрана) мышечного волокна. Мутации в этом гене вызывают или полное (миодистрофия Дюшена) или частичное (миодистрофия Беккера) отсутствие соответствующего белка, следствием чего является разрушение мышечных волокон. Тяжелые формы заболевания служат причиной ранней инвалидности и смерти больного.

Пока отсутствуют надежные методы терапии мышечной дистрофии Дюшена, а постановка диагноза с точной локализацией генетического дефекта до недавнего времени была невозможной – вплоть до установления полной последовательности нуклеотидов всех 85 экзонов гена. Сейчас это стало реально благодаря знанию первичной структуры гена, возможности синтезировать олигонуклеотидные праймеры, использовать полимеразную цепную реакцию (ПЦР) для синтеза соответствующих последовательностей и использования их в диагностике (гибридизация).

Для фундаментальной биологии, теоретической медицины и клиники принципиальное значение имеет молекулярная онкогенетика. Ее исследования проводятся в нескольких направлениях: 1) молекулярная диагностика наследственных форм рака; 2) диагностика и выяснение молекулярных механизмов вирусиндуцированных форм рака; 3) поиск и диагностика молекулярных маркеров неблагоприятного прогноза при раковых заболеваниях; 4) диагностика микрометастазов; 5) поиск и диагностика полиморфных ДНК-маркеров, для выявления предрасположенности к раку.

Знание молекулярной природы изменений, которые служат причиной опухолевого роста, дают возможность делать прогноз заболевания. Молекулярно-генетические методы ПЦР и гибридизация со специфическими ДНК-зондами дают возможность идентифицировать одиночные трансформированные или метастазные клетки среди большого количества нормальных клеток (1-2 на 106 клеток). Такого уровня чувствительности не дает ни один из известных биохимических или иммунологических методов.

Принципиально не отличается от диагностики наследственных и онкологических заболеваний генодиагностика инфекционных патологий. В этом случае выявляются гены, специфические для возбудителей или продуктов их экспрессии.

Результатом достижений молекулярной генетики явилось рождение новой области медицинской науки – генетической (генной) терапии (ГТ) – возможность использования функциональных генов в качестве лекарственных средств. По существу ГТ – это совокупность биомедицинских технологий, основанных на введении больному генетических конструкций: перенос генов ex vivo (подобно случаю с геном аденозиндеаминазы, проводится обычно на клетках крови); in situ (локальная ГТ, например, введение в трахею и бронхи при муковисцидозе или в массу опухоли в случае терапии злокачественных новообразований); in vivo (введение генетических конструкций непосредственно в эмбрион).

В мире зарегистрировано уже около 1000 клинических опытов ГТ и несколько тысяч пациентов имеют в своем теле генетически модифицированные клетки.

Имеется немало веществ, специфически ингибирующих транскрипцию. Наиболее известны из них a - аманитин (один из токсинов ядовитого гриба бледная поганка) и актиномицин Д (производное естественного антибиотика из Streptomyces).

Многие антибиотики (стрептомицин, тетрациклин, левомицетин, эритромицин) ингибируют трансляцию у бактерий. Однако это не означает полной безвредности антибиотиков. На организм пациента они могут оказывать немало побочных воздействий. Некоторые из них способны влиять на белковый синтез не только у бактерий, но и у эукариот (например, циклогексамид, пуромицин).

Хорошо изучено действие дифтерийного токсина на трансляцию в клетках слизистых оболочек верхних дыхательных путей, а также холерного токсина – в эпителиальных клетках кишечника.

Ингибируют трансляцию также интерфероны. Резко ограничивая синтез белков – как собственных белков клетки, так и вирусных. Ценой подавления клеточной активности и, возможно, даже гибели клетки предупреждается многократное увеличение числа вирусных частиц.

Существует группа тяжелых неврологических болезней, обусловленных «неправильным» фолдингом прионового белка. Образующиеся прионы являются уникальными инфекционными агентами, лишенными нуклеиновой кислоты. У коров они вызывают губчатую энцефалопатию (коровье бешенство), а у человека, употребившего мясо таких коров, болезнь Крейнцфельда – Якоба. Прионы очень устойчивы к протеазам, благодаря чему, им удается проникать в неизмененном виде из желудочно-кишечного тракта в нервную ткань, где запускается патологический процесс.

Дата добавления: 2014-11-29