Учебная работа. Антигены микроорганизмов

Учебная работа. Антигены микроорганизмов

Ш

Ш Геномика и медицина

Ш Структура вирусного генома

Ш Остальные геномы

Ш структура генома прокариот

Ш Что удается выяснить о микробах по их геному?

Ш Ориентация генов (направление транскрипции)

Ш Гомологичные гены и копийность генов

Ш Изменение функции гена в процессе эволюции

Ш Исследования генома человека

Ш Проект «Геном человека» (Human Genome Project)

Генетика представляет собой одну из главных, более интересных и вкупе с тем сложных дисциплин современного естествознания. пространство генетики посреди био наук и особенный Энтузиазм к ней определяются тем, что она изучает главные характеристики организмов, а конкретно наследственностьи изменчивость.

В итоге бессчетных — сверкающих по собственному плану и тончайших по выполнению — тестов в области молекулярной генетики современная биология обогатилась 2-мя базовыми открытиями, которые уже отыскали обширное отражение в генетике человека, а отчасти и выполнены на клеточках человека. Это указывает неразрывную связь фурроров генетики человека с фуррорами современной биологии, которая все больше и больше становится связана с генетикой.

1-ое — это возможность работать с изолированными генами. Она получена благодаря выделению гена в чистом виде и синтезу его. способы, т.е. уже имеется выбор, когда пойдет речь о таком сложном механизме как человек.

2-ое достижение — это подтверждение включения чужеродной инфы в геном, также функционирования его в клеточках высших звериных и человека. Материалы для этого открытия скапливались из различных экспериментальных подходов. До этого всего, это бессчетные исследования в области вирусогенетической теории появления злокачественных опухолей, включая обнаружение синтеза ДНК на РНК , которые содержатся в клетках всех живых организмов)-матрице. Не считая того, стимулированные мыслью генетической инженерии опыты с профаговой трансдукцией подтвердили возможность функционирования генов обычных организмов в клеточках млекопитающих, включая клеточки человека.

Без преувеличения можно сказать, что, вместе с молекулярной генетикой, генетика человека относится к более прогрессирующим разделам генетики в целом. Ее исследования простираются от биохимического до популяционного, с включением клеточного и организменного уровней.

 XX век стал веком величайших открытий во всех областях естествознания, веком научно-технической революции, которая изменила и вид Земли, и вид ее жителей. Может быть, одной из главных отраслей познания, которые будут определять вид нашего мира в последующем веке, является генетика. С данной сравнимо юный наукой постоянно было соединено много споров и противоречий, но крайние заслуги генетики и генной инженерии, которая полностью может считаться самостоятельной дисциплиной, в таковых областях, как исследование генома человека и клонирование, хотя и открыли широкие перспективы развития биотехнологий и исцеления разных болезней, сделали вероятным изменение самой сути человека, породив тем огромное количество вопросцев этического, даже, быстрее, философского, нрава. Имеет ли человек право изменять то, что сотворено природой? Имеет ли Право исправлять ее ошибки и, если да, то где та грань, которую недозволено переступать? Не обернутся ли научные познания аварией для всего населения земли, как это случилось, когда была открыта энергия атома, уничтожившая Хиросиму, Нагасаки и Чернобыль? На эти вопросцы все отвечают по-разному, потому в собственной работе я попробую не только лишь поведать о самих дилеммах научной этики, связанных с генетикой, да и по способности отразить разные точки зрения на эти препядствия.

В системе современных биотехнологий лидирующую (можно сказать, парадигмальную) роль играет «геномика». Английское слово «genomics», переводится на российский язык калькой «геномика». употребляется для обозначения многопланового, не имеющего устойчивых границ парадокса. Центральную часть парадокса занимают фундаментальные исследования, объединенные в рамках Интернационального проекта «Геном человека», который ставит собственной задачей к 2003 году окончить 1-ый шаг на пути исчерпающего описания последовательностей нуклеотидов в ДНК человека(сиквенирование) и подготовки полной карты человечьих генов с их четкой локализацией в хромосомах (картирование). К лету 2000 года завершено в предварительном варианте сиквенирование фактически всего генома человека. О чем поторопились известить мировую общественность южноамериканский президент и английский премьер министр.

Но геномика — не только лишь область биотехнологий, да и специфичный соц парадокс. Вокруг геномных исследовательских работ происходит агглютинация обилия медико-генетических практик (сращение базовых и прикладных исследовательских работ очень типично), языков, соц конфликтов, политических кампаний, легенд и познаний, новейших надежд и неведомых ранее угроз существу человека, вожделений и методов их ублажения. Этот глас парадокса новейшей науки («иной науки»), хотя и сохраняющей преемственность с наукой XX века, но сразу вносящей в нее ряд новейших системообразующих свойств. программка «Геном человека» существует и финансируется в Рф с 1989 года. Невзирая на суровые экономические трудности, работы в данной области длятся и доныне. В США человека.

Следует также отметить, что воплощение проекта «Геном человека» связано с революционизацией молекулярно-биологическихтехнологий, которые потом могут отыскать применение в диагностике и корректировки на генном уровне детерминированных болезней, атак-же в промышленных биотехнологиях. Уже на данный момент вырастает число личных компаний, которые вкладывают значимые ресурсы в развитие геномных исследовательских работ, предполагая получить превосходные прибыли. Лучше на техническом уровне снаряженные и богаче финансируемые биотехнологические компании составляют сильную конкурентнсть институтским лабораториям — обычным фаворитам молекулярно-биологических исследовательских работ.

Геномика сформировалась как особенное направление в 1980—1990-х гг. вкупе с появлением первых проектов по секвенированию геномов неких видов {живых} организмов. Первым был стопроцентно секвенирован геном бактериофага ?-X174; (5 368 kb) в 1980 г. Последующим этапным событием было секвенирование генома бактерии (1.8 Mb) (1995). Опосля этого были стопроцентно секвенированы геномы еще нескольких видов, включая геном человека (2001 — 1-ый предварительный вариант, 2003 — окончание проекта). Её развитие сделалось может быть не только лишь благодаря совершенствованию биохимических методик, да и благодаря возникновению наиболее сильной вычислительной техники, которая дозволила работать с большущими массивами данных. Протяженность геномов у {живых} организмов тотчас измеряется млрд пар оснований. к примеру, размер генома человека составляет порядка 3 миллиардов. пар оснований, либо 3 000 Mb, а самые большой из узнаваемых геномов (у 1-го из видов амёб) — 6.7?1011 пар оснований.

Получение полных последовательностей геномов позволило пролить свет на степень различий меж геномами различных {живых} организмов. Ниже в таблице представлены подготовительные данные о сходстве геномов различных организмов с геномом человека. Сходство дано в процентах (отражает долю пар оснований, схожих у 2-ух сравниваемых видов).

На примере папилловирусов. Вирусы папиллом относятся к семейству паповавирусов (Papovaviridae) и представляют собой группу вирусов, поражающих большой рогатый скот, птиц и человека, которые способны инфицировать базальные клеточки кожи и плоского эпителия . Папилломавирусы — одна из более гетерогенных групп вирусов, аспектом дифференцировки которой является степень генетического родства вирусов по данным молекулярной гибридизации: она может колебаться от 10 до 85%. Поперечник вирусных частиц 55 нм. вирус не имеет наружной оболочки. Капсид вируса состоит из 72 капсомеров. Детализированный анализ молекулы ДНК ВПЧ стал вероятен опосля разработки методики расщепления ДНК с внедрением эндонуклеаз и анализа этих фрагментов при помощи гель-электрофореза. Данный способ дозволил найти соответствующие картины расщепления ДНК и сделать физическую карту расположения точек расщепления в геноме разных папилломавирусов [.

Известные типы папилломавирусов человека сходны по собственной генетической структуре. Генетический материал вируса представлен круговой двухцепочечной молекулой ДНК длиной около 8000 пар оснований, что соответствует массе около 5 млн Д. одна из нитей ДНК содержит 9 открытых рамок считывания (open reading frames, ORF), которые потенциально кодируют до 10 протеинов, и регуляторный участок генома (upstream regulatory region, URR). Иная нить ДНК некодирующая.

Регуляторная область вирусного генома (upstream regulatory region, URR) размещается меж концом области поздних генов и началом области ранешних генов. Открытые рамки считывания ORF генома вируса разбиты на ранешний (early, Е) и поздний (late, L) участки. Ранешний фрагмент включает гены Е1-Е7, кодирующие синтез белков, ответственных за разные функции в процессе репликации вируса и трансформации клеток. Гены Е1 и Е2 несут ответственность за репликацию вируса, также участвуют в регуляции транскрипции вирусного генома. Продукт гена Е1 отвечает за поддержание персистенции вирусного генома в эписомальной форме. Ген Е2 шифрует продукты, которые могут как транс-активировать, так и подавлять экспрессию ранешних генов и энхенсерных участков URR. Трансактивирующий фактор идентифицирован в предраковых конфигурациях шеи матки, репрессирующий фактор in vivo не идентифицирован. Ген Е4 участвует в процессе созревания вирусных частиц, гены Е5-Е7 владеют трансформирующим потенциалом. Гены Е6 и Е7 постоянно определяются и экспрессируются в опухолях шеи матки и приобретенных из опухолей шеи матки клеточных линиях. Био эффект трансформирующего потенциала генов Е6 и Е7 будет рассмотрен ниже. Поздний фрагмент генома состоит из генов L1 и L2, кодирующих структурные белки вириона.

Секвенированием геномов (т.е. определением нуклеотидной последовательности суммарного набора молекул ДНК клеточки какого-нибудь организма), их картированием (т.е. идентификацией генов и локализацией места их расположения на хромосоме) и сравнительным анализом структур геномов различных организмов занимается направление современной молекулярной биологии под заглавием геномика. Первым стопроцентно секвенированным геномом стал расшифрованный в 1977 г. геном бактериофага ?X174, состоящий всего из 5386 пар нуклеотидов (либо пар оснований — п.о.). В предстоящем были получены нуклеотидные последовательности геномов ряда вирусов. Первыми свободно живущими организмами, чьи геномы были стопроцентно прочитаны, стали микоплазма и амеба . Эти мельчайшие организмы оказались выбраны, т.к. являются патогенами (т.е. вызывают работоспособности»> работоспособности»>заболевания ) человека. Всего на исходном шаге реализации геномных проектов были исследованы 8 различных представителей мира микробов, а к концу 1998 г. — уже 18 организмов с размерами генома от 1 до 20 Мb (Мb — миллион пар оснований). В числе их представители почти всех родов микробов: спирохеты, хламидобактерии, пищеварительная палочка, возбудители пневмоний, сифилиса, гемофилии, метанобразующие бактерии, микоплазмы, цианобактерии. К истинному времени определена полная структура геномов наиболее чем 100 микробов, основную часть которых составляют патогены. Таковым образом, уже с первых шагов геномика отдала развитие двум своим фронтам: мед и сравнительной геномике. на данный момент расшифровка геномов ведется с все растущей скоростью. Кроме исследования геномов обычных организмов, установлена нуклеотидная последовательность ДНК архебактерии, находящихся в лестнице эволюционного развития вроде бы меж эукариотами (клеточными организмам) и прокариотами (микробами). Не считая того, определено полное строение генома пекарских дрожжей (, первого одноклеточного эукариотического организма). Первым многоклеточным организмом с стопроцентно секвенированным геномом стал круглый червяк (нематода). Последующими в перечне стали плодовая мушка дрозофила (первого насекомое) и арабидопсис (1-ое растение), чьи ДНК были сравнимо не так давно «расшифрованы». Верхушкой достижений современной геномики можно именовать определение последовательности нуклеотидов ДНК мыши и человека (см. страничку «Уже изготовлено»). Все это позволило перейти от сопоставления структуры отдельных генов либо их групп к сопоставлению строения полных геномов организмов, находящихся на различных уровнях эволюционного развития — эволюционной геномике.

Все, что амеба умеет созодать кодируется ее генетическим аппаратом. Другими словами восприятие сигналов из наружной среды зависит от того, какие нервные импульсы По месту расположения и по выполняемым функциям выделяют экстерорецепторы интерорецепторы и пропри находятся на мембране клеточки, а сенсоры кодируются бактериальной ДНК . На примере пищеварительной палочки разглядим, как устроен геном бактерии. Геном — это совокупа всей наследной инфы. У пищеварительной палочки дуцепочечная ДНК замкнута в кольцо. Это кольцевая молекула состоящит из 4,6 млн пар нуклеотидов, что соответствует молекулярной массе 3 х 106 Да. Длина молекулы составляет порядка 1.5 мм. время репликации данной молекулы 20 мин. Есть бактерии, которые плодятся медлительнее, чем пищеварительная палочка.

структура бактериальной ДНК как круговой была предложена в 1956 году Жакобом и Вольманом. Это было революционное предположение, потому что ранее числилась, что ДНК линейная. Но революция во взорах произошла снова, когда выяснилось, что геном бактерии быть может представлен как круговой, так и линейной молекулой ДНК . Не считая главный молекулы ДНК у нее могут встречаться (а могут и отсутствовать) плазмиды — маленькие (3-5 тыщ нуклеотидов) кольцевые либо линейные ДНК , нередко несущие гены стойкости к лекарствам и остальные необязательные системы. Конкретно из-за наличия плазмид (а они способны передаваться горизонтально от клеточки к клеточке, даже меж микробами различных видов), распространение стойкости к лекарствам происходит весьма стремительно меж всеми микробами, живущими в одном месте.

Другими словами в состав генома микробов могут заходить как кольцевые, так и линейные молекулы ДНК . И геном может состоять из одной либо из нескольких молекул ДНК , именуемых хромосомами либо плазмидами. Если гены, которые содержаться на доборной молекуле, нужны клеточке, то эта молекула именуется минихромосомой, а если без их клеточка может обойтись — то плазмидой.

размеры молекул ДНК указывают в парах оснований, п.н. либо bp (base pairs)

Для огромных фрагментов употребляют т.п.н. либо kb (kilo base)=103 bp и Mb (mega base)= 106 bp

Геномы микробов — от 0.58 Mb у до 9.5 Mb у

Как изучали геном бактерии. Посреди двадцатого века был описан половой процесс у микробов. Это процесс, при котором бактерии обмениваются собственной генетической инфы. На рисунке представлена схема этого процесса. Он именуется конъюгацией. Во время конъюгации появляется цитоплазматический мостик, по которому происходит перенос молекулы ДНК из одной клеточки в другую. У пищеварительной палочки имеется молекула ДНК , которая именуется F-фактор (fertility factor — фактор плодовитости). Молекула F-фактора способна встроиться в геномную ДНК . В F-факторе кодируется особый белок, который образует половые ворсинки, они именуются F-пили. Эти самые ворсинки прикрепляются к иной клеточке, которые F-фактор не содержат, и F-фактор инициирует репликацию. В процессе репликации появляется две копии молекулы ДНК , при этом одна копия остается в начальной клеточке, а 2-ая копия переносится в другую клеточку. Другими словами, генетическая информация из одной клеточки попадает в другую.

С ДНК , которая попала во вторую клеточку происходит последующее. Хозяйская хромосома содержит такие же гены, как и тот кусочек ДНК , который был перенесен в клеточку. Но варианты генов в начальной, донорной клеточке, и в клетке-реципиенте могут различаться. к примеру, в начальной клеточке ген кодировал синтез фермента лактазы (расщепляет молочный сахар лактозу), а в рецепиенте таковой же ген испорчен, другими словами лактазу не шифрует из-за некий мутации. При всем этом амеба не способна употреблять сахар лактозу в среде.

Вновьприбывашая ДНК и хозяйская ДНК обмениваются гомологичными (другими словами содержащими схожие гены) кусочками. Появляется новое сочетание генов в хозяйской клеточки. Посреди ее старенькых генов оказывается встроен кусочек с новеньким геном, прибывшим из клетки-донора. Этот процесс обмена кусочками ДНК именуется рекомбинацией. Та ДНК , которая в процессе рекомбинации оказалась не включенной в хромосому, деградирует и исчезает. Новейший ген проявляет себя, клеточка оказывается способной расщеплять тот сахар, который ранее употреблять не могла. Это все детектируется исследователем. В таковой ситуации ген лактазы именуют генетическим «маркером», он маркирует участок хромосомы, связанный с определенным свойством бактерии (способностью расщеплять сахар, которую может детектировать исследователь).

процесс репликации у пищеварительной палочки длится 20 минут, а процесс конъюгации продолжается 3-5 минут. За это время успевает перейти не вся хромосома, а лишь ее кусок. Чем подольше продолжается конъюгация, тем больший кусок успевает перейти из одной клеточки в другую. Этот процесс дозволяет обусловит какие маркеры поступили в клеточку, если начально клеточки различались по нескольким генам. F-фактор способен встраиваться в различные участки хромосомы, и когда начинается передача, различные маркеры попадают в другую клеточку. Проводили минут, и смотрели, какие маркеры (и, соответственно, какой фрагмент хромосомы) за это время войдут.

По сиим данным строили генетическую карту (размещение друг относительно друга генетических маркеров). Генетическая карта пищеварительной палочки была построена в 60-х годах. На данной карте были гены-маркеры, расположенные по всей круговой хромосоме, а координаты генов на карте обозначались в минутках. Итоговая карта, построенная в 60-х годах, имела координаты в промежутке от 0 до 90 минут. Потому один узнаваемый микробиолог шутил, что пищеварительная палочка — это умопомрачительный организм, у которой жизнь продолжается 20 минут, а половой процесс — 90 минут.

Построение таковой карты было огромным достижением, потому что для пищеварительной палочки она была построена в первый раз; для остальных организмов есть остальные способы построения генетических карт, но они все основаны на рекомбинации. Сначала 20-ого века были построены рекомбинационные карты для исследования генома мухи, а потом подобные карты стали употребляться для исследования генома человека.

Возникли наиболее четкие технологии исследования генома микробов, пределом точности является определение нуклеотидной последовательности, поточнее карту выстроить нереально. На данной карте расстояние обозначается уже не в минутках, а в парах нуклеотидов.

способ определения последовательности нуклеотидов, либо секвенирование, был разработан в 70-х годах. Две группы ученых независимо друг от друга разрабатывали эти способы. один из их был разработан Сэнгером, 2-ой — Максамом и Гилбертом, и они все получили в 1980 году Нобелевскую премию. До сего времени сделанные ими принципы употребляются при секвенировании, на данный момент уже проводимом не вручную, а автоматами.

В 1995 году был прочтен 1-ый относительно маленькой геном бактерии . Это было не малым достижением, весьма большенный сенсацией. Ранее удавалось найти стопроцентно лишь геномы вирусов, которые на порядок меньше геномов микробов. На реальный момент стопроцентно прочитаны геномы наиболее 100 видов микробов.

Ранее, чтоб выяснить что-то о бактерии, было надо долгие годы изучить ее способность расщеплять те либо другие сахара, остальные питательные вещества, установить, какая температура лучшая для ее роста, получить огромное количество мутантов, для того, чтоб выстроить генетическую карту генома бактерии. Но на данный момент можно весьма почти все выяснить о неведомой бактерии, если прочитать ее геном. По тому, какие гены входят в состав генома, можно найти, какой образ жизни ведет амеба. Это принципиально для возбудителей разных болезней — по составу их генов можно установить, к каким субстанциям они чувствительны, и буквально подобрать лечущее средство либо сделать новейший действенный продукт для исцеления.

например, размер генома паразитарной бактерии микоплазмы ( ) — 580000 пар нуклеотидов. 90% ее генома шифрует белки, 10% содержат регуляторные последовательности белков, т.е. белки не шифрует. У нее 468 генов (это можно с точностью найти по нуклеотидной последовательности генома).

Что означают различия в количестве кластеров рибосомной РНК , которые содержатся в клетках всех живых организмов)? Пищеварительная палочка делится раз в 20 минут, туберкулезная микобактерия делится раз в день. К слову, это представляет трудности в диагностики туберкулеза (для того, чтоб выделить из мокроты хворого эту бактерию, нужно ее растить недельками, чтоб там что-то можно было проанализировать). Из-за того, что она так медлительно вырастает, ей не необходимо интенсивно синтезировать рибосомы, потому у нее меньше генов, подходящих для синтеза рибосом (в 10 раз меньше, чем у свободно живущей и интенсивно возрастающей ).

Процент кодирующих последовательностей самый высочайший у микоплазмы . Она живет в неизменных критериях снутри клеточки, ей не много что необходимо регулировать. У остальных микробов огромную долю занимают кодирующие белки, а у человека, по сопоставлению с микробами, кодирующие белки занимают намного наименьшую часть генома (2%). В принципе, это соответствует развитию общества: все наименьшую часть занимает создание, и все огромную часть занимает сервис и информационные технологии.

Ориентация генов (направление транскрипции)

Когда ДНК реплицируется, одна нить синтезируется безпрерывно (ведущая нить), а на 2-ой нити синтезируется фрагменты Оказаки, которые позже сшиваются (запаздывающая нить). Направление транскрипции большинства генов совпадает с направлением синтеза ведущей нити. Репликация ДНК начинается с точки ori, и идет в обе стороны. И соответственно, гены размещены в большей степени в том же направлении, в каком идет репликация. Потому при репликации транскрипция не прерывается навечно.

Ниже приведено количество генов по функциям в геноме пищеварительной палочки.

 

В геноме микробов могут находиться гены, похожие по нуклеотидной последовательности. Такие гены именуются гомологичными (гомо — однообразный). Гомологичные гены могут показаться в геноме в итоге удвоения (дупликации) 1-го гена. В этом случае их именуют паралоги. При наличии в геноме нескольких гомологичных генов они могут приобрести различные функции. Если же два вида микробов, имевших общего предка, разошлись, и у их сохранились гены, похожие по последовательности и нередко совпадающие по функциям, то эти гены именуются ортологами. Если ген попал в организм при горизонтальном переносе из другого организма в иной, то он именуется ксенологом (ксено — чужой).

Некие гены, схожие по строению, но незначительно отличающиеся по функциям, имеют огромную копийность в геноме. Ниже представлено количество копий различных генов в геноме свободноживущей бактерии . Копийность генов связана с образом жизни микробов. Это можно сопоставить, например, с языком. Так, у народов, занимающихся скотоводством, лошадка имеет огромное количество заглавий (не как у нас: лошадка, жеребенок, мерин, а огромное количество заглавий для лошадок различного предназначения и различного возраста); у эскимосов много слов, обозначающих снег. Также, в геноме микробов многокопийны те гены, которые важны для жизни микробов. Молвят, это те гены, которые обуславливают экологическую специфика.

Гены, отвечающие за примыкающие реакции в метаболической цепи, нередко размещены на хромосоме. К примеру, на рисунке изображены 7 генов, отвечающих за синтез вещества хоризмата. Реакция проходит в 7 шагов. И эти 7 генов кодируют 7 ферментов, проводящие реакцию. В геноме гены размещены в том же порядке, в каком позже работают кодируемые ими ферменты. С этих генов считывается одна мРНК, на которой проходит трансляция. Синтезированные ферменты оказываются в цитоплазме клеточки вместе и передают субстрат один другому, поочередно проводя реакции.

У дрожжей отыскали белок, который соединяет воединыжды 5 функций. Он состоит из 5 глобул, связанных полипептидной связью, которые делают те же функции, что и отдельные белки в остальных организмах. Это пример того, что белки могут делать те же функции, независимо от того, объединены они в одну полипептидную цепь либо нет.

Увлекательным примером являются археи. У их есть белки с подобными функциями. Когда поглядели геном архей, оказалось, что 6 генов у их такие же, другими словами эти 6 генов являются ортологами уже узнаваемых генов микробов. Но один ген тут стоит совсем иной, не ортологичный бактериальному, а родственый генам совсем другого фермента. При биохимической проверке функции этого неортологичного гена оказалось, что она совпадает с функциями того гена, который должен находиться на этом месте.

И хотя новейший ген стопроцентно различается по нуклеотидной последовательности от стоящих , но делает он те же функции, что и стоящий на этом месте у микробов белок. Это явление окрестили неортологичеким замещением.

Мы гласили, что цикл Кребса мог появиться при замыкании 2-ух реакций при добавлении всего 1-го фермента, и такие вот примеры демонстрируют, что таковой фермент мог быть рекрутирован из фермента с близкой ферментативной активностью.

Каким образом, геномы микробов изменяются в процессе эволюции? Все конфигурации можно систематизировать на 5 групп: точечные подмены (подмены одной «буковкы» на другую), дупликации и амплификации (копирование участков генома), делеции (выпадение участков генома), инверсии и транслокации (перестановка участка гена в другую часть генома либо изменение его ориентации в геноме), горизонтальный перенос генов (фрагмент ДНК переносится из одной бактерии в другую).

Исследования генома человека

Как наука генетика появилась на рубеже XIX и XX веков. Почти все официальной датой ее рождения считают 1900 год, когда Корренс, Чермак и де Фриз независимо друг от друга нашли определенные закономерности в передаче наследных признаков. Открытие законов наследственности состоялось, по существу, вторично — еще в 1865 году чешский ученый-естествоиспытатель Грегор Мендель получил те же результаты, экспериментируя с садовым горохом. Опосля 1900 года открытия в области генетики следовали одно за иным, исследования, посвященные строению клеточки, функциям белков, строению нуклеиновых кислот, открытых Мишером в 1869 году, шаг за шагом приближали человека к разгадке загадок природы, создавались новейшие научные направления, совершенствовались новейшие способы. И, в конце концов, в конце XX века генетика впритирку подошла к решению 1-го из базовых вопросцев био науки — вопросца о полной расшифровке наследной инфы о человеке.

В реализации потрясающего проекта по расшифровке генетического кода ДНК , получившего заглавие HUGO (Human Genome Organization) приняли роль 220 ученых из различных государств, в том числе и 5 русских биологов. В нашей стране была сотворена собственная программка «Геном человека», управляющим которой стал академик Александр Александрович Баев.

В первый раз мысль организации схожей программки была выдвинута в 1986 году. Тогда мысль показалась неприемлемой: геном человека, другими словами совокупа всех его генов содержит около 3-х млрд нуклеотидов, а в конце 80-х годов Издержки на определение 1-го нуклеотида составляли около 5 баксов США

на данный момент определение 1-го нуклеотида обходится всего в один бакс, сделаны аппараты, способные секвенировать (от лат. sequi — следовать) до 35 млн. последовательностей нуклеотидов в год. Одним из принципиальных достижений сделалось открытие так именуемой полимеразной цепной реакции, позволяющей из микроскопичных количеств ДНК за несколько часов получить размер ДНК , достаточный для генетического анализа. По оценкам профессионалов существует возможность окончания проекта через 15 лет, и уже на данный момент программка приносит полезные результаты. Сущность работ заключается в последующем: поначалу проводится картирование генома (определение положения гена в хромосоме), локализация неких генов, а опосля этого секвенирование (определение четкой последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК ). Первым геном, который удалось локализовать, стал ген дальтонизма, картированный в половой хромосоме в 1911 году. К 1990 году число идентифицированных генов достигнуло 5000, из их картированных 1825, секвенированных — 460. Удалось локализовать гены, связанные с тяжелейшими наследными заболеваниями, таковыми, как хорея Гентингтона, болезнь Альцгеймера, мышечная дистрофия Дюшена, кистозный фиброз и др.

Таковым образом, проект исследования генома человека имеет грандиозное значение для исследования молекулярных основ наследных заболеваний, их диагностики, профилактики и исцеления. Следует направить внимание на то, что за крайние десятилетия в индустриально продвинутых странах толика наследных заболеваний в общем объеме болезней существенно возросла. Конкретно наследственностью обоснована расположенность к раковым и сердечно-сосудистым болезням. В значимой степени это соединено с экологической ситуацией, с загрязнением окружающей среды, потому что почти все отходы индустрии и сельского хозяйства являются мутагенами, другими словами изменяют человечий генофонд. Беря во внимание современный уровень развития генетики можно представить, что научные открытия грядущего дозволят методом конфигурации генома адаптировать человека к неблагоприятным условиям наружной среды. Что все-таки касается борьбы с наследными болезнями, то их целью которого является облегчение методом подмены нездоровых генов на здоровые кажется настоящим уже на данный момент. Все это значит, что человек получит возможность не только лишь изменять живы организмы, да и конструировать новейшие формы жизни. В связи с сиим возникает целый ряд суровых вопросцев.

На мой взор одним из более принципиальных вопросцев является вопросец о использовании генетической инфы в коммерческих целях. Невзирая на то, что и участники проекта HUGO, и представители интернациональных организаций, а именно ЮНЕСКО, единодушны в том, что любые результаты исследовательских работ по картированию и секвенированию генома должны быть доступны всем странам и не могут служить источником прибыли, личный капитал начинает играться все огромную роль в генетических исследовательских работах. Когда возникла программка HUGO, появились так именуемые геномные компании, которые занялись без помощи других занялись расшифровкой генома. В качестве примера можно привести южноамериканскую компанию под заглавием Institute of Genomic Research (TIGR) либо компанию Human Genome Sciences Inc. (HGS). Меж большими фирмами идет жестокая борьба за патенты. Так в октябре 1994 Крэк Вентер, глава вышеупомянутой компании TIGR, о том, что в распоряжении его компании находится библиотека из 35000 фрагментов ДНК , синтезированных при помощи РНК , которые содержатся в клетках всех живых организмов) на генах, приобретенных лабораторным методом. Эти фрагменты сравнили с 32 известными генами наследных болезней. Оказалось, что 8 из их стопроцентно схожи, а 19 гомологичны. TIGR оказался владельцем ценнейшей научной инфы, но его руководители заявили, что хим строение всех последовательностей из данной библиотеки засекречено и будет изготовлено достоянием гласности лишь в том случае, если за компанией будет признано Право принадлежности на все 35000 фрагментов. Это не единственный вариант, а меж тем, развитие генетики намного опережает развитие соответственной законодательной базы. Хотя шаги в этом направлении предпринимаются (в Рф, к примеру, в конце 1996 года был принят закон«О муниципальном регулировании в области генно-инженерной деятель», в1995 был принят законо биоэтике во Франции, в США

  Эволюция людского вида не ограничена прошедшим. Механизмы, которые вызывают конфигурации в частоте генов от поколения к поколению, продолжают работать и в истинное время. Со временем био эволюция все в большей и большей степени дополняется культурной эволюцией, которая становится одной из основных сил, вызывающей био конфигурации снутри людского вида. Познание этих устройств обязано посодействовать в определении тенденции развития генетической структуры человечьих популяций в дальнейшем. В большинстве государств за крайние несколько поколений условия жизни населения очень поменялись и продолжают изменяться в нарастающем темпе. Благодаря успехам гигиены и медицины существенно стало лучше здоровье человека, и возросла длительность его жизни. Эти происшествия сказываются на репродуктивности и смертности и, как следует, влияют на генетической структуре будущих поколений. 

прогресс науки и техники подвергает современных людей значительно огромным рискам неблагоприятной изменчивости, чем это было в протяжении всего предыдущего периода развития людской цивилизации. Физические, хим и, может быть, био (вирусные) мутагены могут нести суровую опасность для генетической структуры популяции в дальнейшем. Потому одной из актуальнейших задач современного естествознания является исследование действий генетической изменчивости человека и разработка системы мер для предотвращения неблагоприятных тенденций эволюции. В обозначенном нюансе принципиальное области генетического консультирования и скрининга наследных аномалий, что может сохранить приемлемый уровень здоровья будущих поколений. 

Мутация — это всеобщее свойство {живых} организмов, лежащее в базе эволюции и селекции всех форм жизни и заключающееся во в один момент возникающем изменении генетической инфы. Когда мутация происходит в отдельном гене, то молвят о генных либо точковых мутациях. При изменении структуры хромосом либо их числа, речь идет о хромосомных мутациях. Все генетическое обилие людей так либо по другому является следствием мутаций.

 С достаточной уверенностью можно утверждать, что почти все мутации генов и фактически все аберрации хромосом неблагоприятны как для индивидума, так и для популяции; большая часть хромосомных аберраций гробит зиготу в период эмбрионального развития, наименьшая часть таковых зигот доживает до рождения и продолжает существовать далее, но пораженные пациенты мучаются томными прирожденными пороками. Генные мутации нередко ведут к прирожденным болезням с обычным типом наследования либо к недостаткам в мультифакториальных генетических системах. Весьма большая часть генных мутаций ведет к изменениям аминокислотной последовательности белков и не вызывает очевидной многофункциональной дефицитности, примером чему служат варианты гемоглобина. Толика подходящих мутаций, в наилучшем случае, весьма ерундова.

Частоты численных аберраций хромосом возрастает с годами мамы, потому хоть какой сдвиг в материнском возрасте приведет к соответственному изменению в общей распространенности таковых хромосомных мутаций. В почти всех современных популяциях существует тенденция к уменьшению числа малышей в семье и концентрация деторождения в возрастной группе с минимальным риском (дамы в возрасте от 20 до 30 лет). Было подсчитано, что в западных странах и в Стране восходящего солнца эта тенденция обязана была уменьшить число малышей с склонность почти всех современных дам откладывать рождение малыша на несколько наиболее поздний возраст просто может привести к изменению данной тенденции на обратную. Понятно, что самое действенное средство обнаружения аномалий хромосом — это пренатальная диагностика . В почти всех странах эту диагностическую функцию дают проводить всем дамам старше 35 лет. Если б все старые беременные дамы вправду через нее проходили, частота синдрома Дауна непременно бы снизилась. Можно представить, что с повышением сохранности пренатальной диагностики для мамы и малыша, амниоцентез станет обыденным для большинства беременностей в продвинутых странах. В таковых критериях можно будет практически стопроцентно избежать аномалий, обусловленных численными либо структурными аберрациями хромосом. Для почти всех генов частота мутаций возрастает с годами отца, потому хоть какой сдвиг в возрастной структуре отцов подходящим образом воздействует на частоту мутаций. Для редчайших аутосомно-доминантных состояний конфигурации под действием возраста отца не будут настолько большими, как для численных хромосомных аберраций; воздействие возраста отца на частоту мутаций в доминантных и сцепленных с Х-хромосомой генов меньше возраста мамы на частоту численных аномалий хромосом. С мед позиций общее действие отцовского возраста представляется относительно маленьким и фактически не принимается в расчет фактический риск поражения доминантной мутацией малыша, имеющего старого отца. Хоть какой вероятный подъем уровня радиации, хоть какое облучение может на несколько процентов прирастить частоту мутаций. Принимая во внимание флуктуации «спонтанной» частоты мутаций, обусловленной, к примеру, переменами возрастной структуры родителей, какое-либо повышение, связанное с радиацией, может оказаться даже незамеченным без внедрения тонких эпидемиологических способов. Все таки эффект имеет пространство, в особенности с учетом деяния техногенных причин, включая техногенные катастрофы. Как следует, одной из главных задач профилактики завышенной частоты мутаций у человека является поддержание радиации на низком уровне. О действии хим мутагенов на популяцию человека понятно очень не много. Можно представить, что населению земли придется смириться с определенным числом химически индуцированных мутаций, так как общество не может отрешиться от тех преимуществ, которые дают ему заслуги современной химии.

Более масштабным и дорогостоящим биологическим научно-исследовательским проектом считают проект «Геном человека». Во время его 15-тилетней истории появилась биоинформатика, т.е. то, чем мы, участники мед проектов распределенных вычислений (РВ), помогаем заниматься коллективам исследователей небезопасных заболеваний.

Проект можно разглядывать и в неком роде как проект распределенных вычислений. Да, технологически проект построен, непременно, совершенно на остальных принципах, чем «традиционные» проекты РВ, где нужные вычислительные мощности складываются из индивидуальных компов участников. В проекте «Геном человека» всю работу проворачивали массивные суперкомпьютеры и спец вычислительные системы-автоматы. Но в наиболее широком смысле, этот проект похож на хоть какой проект РВ фундаментальностью поставленных целей, не малым количеством потребовавшихся вычислений, открытостью результатов и соревновательной составляющей — в проекте приняли роль 10-ки муниципальных и коммерческих научных организаций со всего мира, работающих заодно, но преследующих различные цели.

Потому весьма любопытно проследить историю проекта «Геном человека», тем наиболее что разворачивалась она в 1990-х гг. на фоне быстрого развития компьютерных технологий, сыгравших определяющую роль в его успешном окончании.

В 1988 г. один из первооткрывателей известной двойной спирали ДНК , нобелевский лауреат Дж. Уотсон, на публике высказал идея о том, что наука впритирку приблизилась к раскрытию хим базы наследственности человека. К тому времени было уже понятно, что наследный аппарат человека, геном, составляет около 3 миллиардов. нуклеотидных пар. В то время эта величина казалась неоглядно большенный, и сама идея, что таковой размер инфы быть может получен, представлялась совсем умопомрачительной.

В 1980-е годы технологии были очень простыми для решения задачки расшифровки генома и посреди биологов было много врагов этого проекта. Биологи серьезно боялись, что их всех принудят нескончаемое количество раз делать скучноватые операции с ДНК человека. Как произнес один молодой кандидат наук: «». Такие опаски рассеялись опосля возникновения новейших технологий, позволивших передать машинкам рутинную работу по определению последовательности. И 1990-е годы вошли в историю как годы уверенного совершенствования способностей определять последовательность полных геномов.

В 1988 г. средства на исследование генома человека выделило Министерство энергетики, а в 1990 г. — Конгресс США

1995. NHGRI публикует первую полную последовательность ДНК живого организма — бактерии . За данной микробов скоро последовали остальные организмы.

1996. Определен 1-ый геном эукариотической клеточки (т. е. сложноорганизованной клеточки, ДНК которой заключена в ядре) — клеточки дрожжей . Сиим открытием увенчались совместные усилия 600 ученых из Европы, Северной Америки и Стране восходящего солнца.

1998. Размещена 1-ая последовательность ДНК многоклеточного организма — плоского червяка . Число хромосом и их длина различны у различных био видов. В клеточках микробов всего одна хромосома. Так, размер генома бактерии — 0,58 Мб (Мегабаза — от британского слова «base» — основание), у бактерии пищеварительной палочки в геноме 4,2 Мб, у растения — 100 Мб, у плодовой мушки — 120 Мб. Самая малая хромосома клеток человека содержит ДНК длиной 50 Мб, наибольшая (хромосома 1) — 250 Мб. До 1996 г. больший участок ДНК , выделяемый из хромосом при помощи реактивов, имел длину 0,35 Мб, а на наилучшем оборудовании их структура расшифровывалась со скоростью 0,05-0,1 Мб в год при цены $1-2 за основание. Другими словами, лишь на эту работу пригодилось бы приблизительно 30 тыс. дней (практически век) и $3 миллиардов.

Улучшение технологии к 1998 г. повысило производительность до 0,1 Мб в денек (36,5 Мб в год) и снизило стоимость до $0,5 за основание. Внедрение новейших электромеханических устройств, которые к тому же потребляют меньше реактивов, позволило уже в 1999 г. убыстрить работы еще в 5 раз и уменьшить стоимость до $0,25 за основание (для людской ДНК еще дешевле).

Знаковой фигурой в этом процессе стал Крейг Вентер (Craig Venter), прошлый ведущий сотрудник NHGRI, основавший в 1998 г. свою коммерческую компанию «Силера джиномикс» (Роквилл, штат Мэриленд). В распоряжении Вентера оказался большой парк компов, который числился тогда вторым по мощности в мире. Триста суперкомпьютеров стоимостью около 80 миллионов баксов круглые сутки обрабатывали большие объемы данных.

Вентер ввел в науку способ определения последовательности ДНК , позже нареченный «способом хаотичной стрельбы», который еще именуют «способом пулеметной очереди» либо «способом стрельбы из дробовика». Сущность способа в том, что определяемую ДНК организма разбивают на огромное количество маленьких фрагментов, любой из которых вводят в автомат, определяющий последовательность ДНК . Нечто схожее получится, если разодрать книжку по страничкам и пораздавать их различным читателям. Опосля того как будут определены последовательности всякого фрагмента, в действие вводят сложнейшие компьютерные программки, поновой собирающие начальную последовательность. Такое интенсивное внедрение информационных технологий разъясняет, почему почти все ученые окрестили новейшую область исследовательских работ генома биоинформационной революцией.

К концу 1999 г. было расшифровано выше 2-ух 10-ов геномов. Каждое такое достижение добивалось определения все наиболее и наиболее длинноватой последовательности и было принципиальной вехой на пути к определению фактически генома человека.

В июне 2000 года Крейг Вентер и Фрэнсис Коллинз, управляющий проекта «Геном человека» в NHGRI и Государственных институтах здоровья США

В феврале 2001 г. Интернациональный Консорциум, в который вошли кроме NHGRI и биотехнологической компании «Силера джиномикс», 16 организаций из Англии, США

В протяжении последующих лет разные группы ученых во всем мире равномерно расшифровывали хромосомы человека, временами сообщая о результатах собственной работы. Так, в 2003-м было объявлено о полной расшифровке ДНК , оставалась лишь 1-ая хромосома человека — крайняя из нерасшифрованных хромосом.

И вот, 17 мая 2006 г. исследователи Wellcome Trust Sanger Institute вместе с южноамериканскими и английскими сотрудниками объявили о окончании крайнего шага работы по расшифровке полного генома человека — секвенировании самой большенный, первой хромосомы. О этом сообщается в статье S.G. Gregory et al. «The DNA sequence and biological annotation of human chromosome 1», размещенной 18 мая в журнальчике Nature.

В последовательность 1-й хромосомы заходит 223 569 564 нуклеотидных оснований, что составляет около 8% от людского генома. Она шифрует вдвое больше генов, чем средняя людская хромосома — наиболее 3000 генов, включая те, мутации которых лежат в базе развития наиболее 350 узнаваемых болезней, в том числе неких типов рака, заболеваний Альцгеймера и Паркинсона, гиперлипидэмии и порфирии. В процессе крайнего шага секвенирования идентифицировано наиболее 1000 новейших генов, что обязано посодействовать ученым в разработке новейших исследовательских тестов и способов процесс разных болезней.

По словам доктора Марка Уолпорта (Mark Walport), директора Wellcome Trust, проект «Геном человека» обеспечил исследователей не малым количеством инфы о человечьих генах и их вероятных вариациях. Эта информация нужна для получения ответов на вопросцы о причинах тех либо других состояний людского организма.

Весь этот большой массив инфы содержится в бессчетных базах данных и электрических библиотеках со вольным доступом для ученых со всего мира. Данной нам возможностью крайние охотно пользуются, применяя приобретенные данные в бессчетных исследовательских работах и проектах, иногда самого умопомрачительного толка. Не считая того, в истинное время с разными прикладными целями интенсивно длится расшифровка геномов почти всех организмов.

(том 70, №5, с. 412-424 (2000)

]]>