Прикладное значение геномики

       Секвенирование геномов и изучение функций их генов все больше находят практическое применение. Разработанные методы используют в генетической инженерии для получения трансгенных и клонированных организмов, в медицине для лечения различных заболеваний, в систематике живых организмов, в установлении родства отдельных индивидов и в других направлениях. Об этих применениях упоминается в других разделах учебника. В данном разделе рассматривается два примера, которые вызывают восхищение своей эффективностью и актуальностью. Один из этих примеров называется генетическое фингерпринтирование, а другой относится к исследованию устойчивости к такому опасному заболеванию как СПИД.

       ДНК-фингерпринтирование (от анл. f inger – палец) – это дактилоскопирование на основе молекулярного анализа ДНК. Метод был предложен англичанином А. Джеффрисом. Он позволяет надежно идентифицировать личность даже при отсутствии отпечатков пальцев по небольшому количеству практически любого биологического материала (капли крови, одного волоса, слюны, кусочка ногтя, следов пота, спермы). Сообщалось, что разработаны методы, позволяющие проводить идентификацию личности по одной лишь клетке. Так, шотландцу Финдли с коллегами удалось идентифицировать человека по всего одной клетке кожи, оставленной на документе, который был написан 30 лет назад (В. З. Тарантул, 2003). Важен этот тест и для идентификации родственных связей людей (проблемы отцовства и материнства, наследования прав и др.).

       Метод геномной дактилоскопии заключается в следующем. За основу берутся не гены, а повторяющиеся участки генома человека. Были созданы специальные тест-системы, которые назвали зондами. Зонды – это короткие нуклеотидные последовательности ДНК, позволяющие определять устройство и распределение в геноме тех или иных повторяющихся элементов генома человека. Число отдельных повторов в определенных местах (чаще всего это микросателлиты) для каждого человека строго индивидуально. Например, если в определенном месте молекулы ДНК последовательность ТЦА повторена три раза подряд: ТЦАТЦАТЦА, то вероятность встретить на земле второго человека, у которого в том же месте ДНК те же три нуклеотида повторяются тоже три раза, практически исключена. После подсчета числа повторов в определенном районе ДНК можно без сомнения утверждать, что он принадлежит или не принадлежит конкретному человеку.

       Процедура установления личности (типирования) состоит в следующем. Первоначально выделяют ДНК из любого генетического материала (кровь, сперма, кусочек кожи, волосяная луковица). Затем ДНК «нарезают» рестриктазами на фрагменты и с помощью электрического поля выстраивают эти фрагменты в ряд строго по размеру. Далее проводят гибридизацию с радиоактивным зондом и расположение связывающихся с зондом (гибридизирующихся) фрагментов определяют методом радиоавтографии, т.е. на рентгеновской пленке. При засвечивании рентгеновской пленки выявляются располагающиеся друг под другом черные полоски, так что радиоавтограф ДНК внешне напоминает штриховые коды на упаковках товаров в магазинах.

       Примером использования ДНК-фингерпринтирование на практике может служить идентификация останков царской семьи. В 1991 г. В местечке Коптяки под Екатеринбургом были найдены останки (кости) 9 человек. Было предположено, что это останки царской семьи и их окружения, застреленных в 1918 г. Для доказательства гипотезы были привлечены генетики. Первые анализы, основанные на генетических маркерах, показали, что кости принадлежат четырем мужчинам и пяти женщинам, в том числе семье, состоящей из отца, матери и трех дочерей (рис. 7.4).

       Далее для идентификации личностей был проведен сравнительный анализ полиморфных участков ДНК, выделенной из костей останков, и ДНК ближайших родственников Романовых, которые были найдены в разных уголках мира. В первую очередь это был внучатый племянник императрицы Александры Федоровны, Филипп, герцог Эдинбургский, супруг королевы Англии. Его генетический материал оказался одинаковым с ДНК обнаруженных под Екатеринбургом женщины и ее трех дочерей. После этого молекулярными генетиками был сделан окончательный вывод: останки принадлежат императрице и трем её дочерям. Сложнее обстояло дело с самим царем. Поиск был продолжен, и, наконец, нашли еще двух родственников Николая II: графиню Ксению Сфирис (урожденную Шереметьеву) и Джеймса Карнеги, третьего

       Рис. 7.4. Молекулярный документ (ДНК-фингерпринт), отражающий длины микросателлита, однозначно свидетельствующий о родственных отношениях отца и матери с их детьми. Слева – строение кластеров одного из микросателлитов (ГГГЦАГАГ) у родителей и детей, справа внизу – результат анализа длин микросателлитов, осуществленный с помощью электрофореза и гибридизации: все дети рождены этими родителями (В. З. Тарантул, 2003).

 

герцога Файфского. Генетический материал митДНК греческой графини и шотландского герцога полностью совпали, а вот митДНК царя чуть-чуть от них отличалась (в ней был один снипс, которого не было у предполагаемых родственников). Но последние сомнения отпали, когда проанализировали митДНК из останков великого князя Георгия, младшего брата последнего русского царя. В ней обнаружилась та же самая мутация, как и у царя. После этого на 100% было установлено, что найденные останки принадлежат Николаю второму и его семье (рис. 7.4).

       Что касается исследования устойчивости к синдрому повышенного иммунодефицита, то в печати (В. З. Тарантул, 2003) сообщаются тоже интересные факты. Так, в Уганде и Танзании инфицированность вирусом иммунодефицита среди проституток доходит до 60-80%, однако некоторые из них не только не умирают от СПИДа, но и рожают здоровых детей. Было предположено, что имеется мутация (или мутации), защищающая человека от СПИДа. Люди с такой мутацией могут быть инфицированы вирусом иммунодефицита, но не заболевают СПИДом. В конечном итоге был идентифицирован ген СС R -5, определенные изменения в котором (выпадение небольшого участка ДНК) придает человеку невосприимчивость к вирусу иммунодефицита. Индивидуумам с такой мутацией вирусная инфекция не страшна.

В настоящее время создана карта, примерно отражающая распределение этой мутации в гене СС R -5 в Европе. Особенно часто (до 15% населения) она встречается среди финно-угорской группы населения. Обнаружение такого мутантного гена может привести в конечном итоге к созданию надежного способа борьбы с одним из самых страшных заболеваний нашего века.

Достижения молекулярной генетики и геномики начали применяться и в лесном хозяйстве (К. В. Крутовский, 2006). В первую очередь это относится к молекулярным маркерам (С.А. Гостимский и др., 2005; Д. В. Политов, 2008; Баранов О. Ю. и др., 2008; Е. А. Мудрик, 2008; М. В. Рогозин, С. В. Боронникова, 2008). Области их применения Д. В. Политов подразделяет на 4 группы.

1. Идентификация, или паспортизация генотипов, например, плюсовых деревьев и их вегетативного потомства на лесосеменных плантациях.

2. Оценка и мониторинг генетического разнообразия, например, гетерозиготность или степень инбридинга исходного материала для селекции и размножения.

3. Оценка изменчивости древесных видов и распределение её в пространстве и времени, например, приуроченность молекулярно-генетической изменчивости древесных пород к географическим регионам.

4. Улучшение селекционных свойств лесных древесных пород с помощью молекулярной диагностики потомства. При этом используется так называемое QTL-mapping, или выявление и картирование локусов количественных признаков, в частности и хозяйственно важных.

       Подводя итоги рассмотрению значения исследования генома можно привести прогноз, который сформулировал Ф. Коллинз, один из руководителей программы «Геном человека» от США (В.З. Тарантул, 2003).

       2010 год

- Генетическое тестирование, профилактические меры, снижающие риск заболеваний, и генная терапия до 25 наследственных заболеваний. Медсестры начинают выполнять медико-генетические процедуры.

- Широко доступна преимплантационная диагностика, яростно обсуждаются ограничения в применении данного метода.

- В США приняты законы для предотвращения генетической дискриминации и соблюдения конфиденциальности.

- Не всем доступны практические приложения геномики, особенно в развивающихся странах.

       2020 год

- На рынке появляются лекарства от диабета, гипертонии и других заболеваний, разработанные на основе геномной информации.

- Терапия рака, прицельно направленная на свойства раковых клеток.

- Фармакогеномика становится общепринятым подходом для создания многих лекарств. Изменение способа диагностики психических заболеваний, появление новых способов их лечения, изменение отношения общества к таким заболеваниям.

- Демонстрация безопасности генотерапии на уровне зародышевых клеток при помощи технологии гомологичной рекомбинации.

       2030 год

- Определение последовательности нуклеотидов всего генома отдельного индивида станет обычной процедурой, стоимость которой не будет превышать 1000 долларов США.

- Каталогизированы гены, участвующие в процессе старения.

- Проводятся клинические испытания по увеличению максимальной продолжительности жизни человека.

- Лабораторные эксперименты на человеческих клетках заменены экспериментами на компьютерных моделях.

- Активизируются массовые движения противников передовых технологий в США и других странах.

       2040 год

- Все общепринятые меры здравоохранения основаны на геномике.

- Определяется предрасположенность к большинству заболеваний (при / до рождения).

- Доступна эффективная профилактическая медицина с учетом особенностей индивида. Болезни детектируются на ранних стадиях путем молекулярного мониторинга.

- Для большинства заболеваний доступна генная терапия.

- Замена лекарств продуктами генов, вырабатываемыми организмом при ответе на терапию.

- Средняя продолжительность жизни достигнет 90 лет благодаря социоэкономическим мерам. Проходят серьезные дебаты о возможности человека контролировать собственную эволюцию.

- Неравенство в мире сохраняется, создавая напряженность на международном уровне.

       Реальные события могут внести существенные коррективы в эти прогнозы, но в целом большинство из них будут реализованы.

1. В конце раздела 7.4. Добавить ссылки на Крутовского и Гостимского. В целом этот абзац будет выглядеть следующим образом:

 «

 

Вопросы для самопроверки

 

1. Что такое геном?
2. Что такое секвенирование?
3. В чем заключается основной принцип электрофореза?
4. Каковы численные показатели близости генома человека и других организмов?
5. Каков хромосомный состав генома человека и какое число генов он включает?
6. Назовите наиболее распространенные наследственные болезни человека, вызванные нарушениями структуры генома.
7. Что такое «снипсы», «гаплотипы» и «микросателлиты»?
8. Покажите значение митохондриальной ДНК для эволюционных исследований.
9.  Что такое «эпигеномика» и «метилирование»?
10. Что такое «ДНК-фингерпринтирование»? Приведите пример его практического использования.
11. Назовите основные направления использования ДНК-маркеров в лесном хозяйстве.
12. Покажите перспективы использования достижений геномики в практической жизни человеческого сообщества.

 

Глава 8.

МУТАГЕНЕЗ И ПОЛИПЛОИДИЯ

Общее понятие о мутациях

 

Мутации (от латинского mutatio – изменение) - внезапные, естественные или вызванные искусственно, наследуемые изменения генетического материала, приводящие к изменению тех или иных признаков организма.

Теория мутаций зародилась вскоре после переоткрытия законов Г. Менделя в трудах     Г. Де Фриза (1901-1903 г. г.). Еще раньше к представлениям о скачкообразном изменении наследственных свойств, как отмечает Инге-Вечтомов (1989), пришел русский ботаник            С. И. Коржинский (1899 г.) в своем труде «Гетерогенез и эволюция».

Существует несколько принципов классификации мутаций.

1. По характеру изменения генома:

1) генные мутации – изменение генов;

2) хромосомные мутации, или хромосомные перестройки – изменение структуры хромосом;

3) геномные мутации – изменение числа хромосом.

2. По проявлению в гетерозиготе:

1) доминантные мутации;

2) рецессивные мутации.

3. По уклонению от нормы и так называемого дикого типа:

1) прямые мутации;

2) реверсии, включающие как обратные мутации, так и так называемые супрессорные мутации, возникающие под действием генов – супрессоров.

4. В зависимости от причин, вызывающих мутации:

1) спонтанные, возникающие без видимых причин;

2) индуцированные мутации (вызванные искусственно).

Эти четыре способа классификации имеют универсальный характер для эукариот, прокариот и их вирусов.

Кроме того, существуют и более частные подходы к классификации мутаций:

5. По локализации в клетке:

1) ядерные;

2) цитоплазматические, т.е. мутации неядерных генов.

6. По отношению к возможности наследования:

1) генеративные, происходящие в половых клетках;

2) соматические, происходящие в соматических клетках.

Существуют и другие способы классификации мутаций (летальные, малые, обратные, пластидные и т.п.).

Представляется целесообразным более подробно рассмотреть мутации, связанные с изменением генома.

Генные мутации

 

Основное внимание при изучении генных мутаций уделяют изменениям чередования пар нуклеотидов в ДНК и, прежде всего изменениям, затрагивающим отдельные пары нуклеотидов, которые составляют класс точковых или точечныхмутаций. Точковые мутации представляют собой изменение пар нуклеотидов ДНК (или нуклеотида РНК). Этот класс мутаций подразделяется на следующие группы: транзиции, трансверсии, вставка, выпадение.

1. Транзиция (от латинского transitio – переход, перемещение) – это мутация, обусловленная заменой азотистого основания в молекуле нуклеиновой кислоты. При транзиции одно пуриновое основание заменяется на другое (аденин на гуанин, или наоборот) или одно пиримидиновое основание на другое (тимин на цитозин, или наоборот).

Транзиции называют простыми заменами, т.к. в этом случае не происходит изменение ориентации пурин-пиримидин в мутационном сайте молекулы нуклеиновой кислоты (АТ ↔ ГЦ, ТА ↔ ЦГ).

2. Трансверсия (от латинского transversus – повернутый в сторону, отведенный) – мутация, обусловленная заменой пуринового основания (аденин, гуанин) на пиримидиновое (тимин, цитозин) и наоборот. То есть, это замена пар нуклеотидов (АТ ↔ ЦГ, АТ ↔ ТА, ГЦ ↔ ЦГ), изменяющая ориентацию.

В отличие от транзиций, трансверсии иногда называют сложными или перекрестными заменами, т.к. происходит изменение ориентации пурин-пиримидин в мутантном сайте молекулы нуклеиновой кислоты (рис. 8.1).

Рис. 8.1. Точковые мутации. А – транзиции; Б – трансверсии (по С. Г. Инге-Вечтомов, 1989).

3. Вставка – имеется в виду вставка лишней пары нуклеотидов;

4. Выпадение – выпадение пары нуклеотидов.

Причиной генных мутаций по Р. фон Борстелу (Инге-Вечтомов С. Г., 1989) является ошибка трех Р: репликации (или копирования), репарации (или ремонта) и рекомбинации (или образование новых комбинаций).

Хромосомные мутации

 

Хромосомные мутации (или хромосомные перестройки, или хромосомные аберрации) – это тип мутаций, которые представляют собой перемещение генетического материала, приводящее к изменению структуры хромосом.

Перестройки могут быть внутрихромосомные и межхромосомные. С. Г. Инге-Вечтомов (1989) приводит следующую схему хромосомных перестроек:

 

Хромосомные перестройки
Внутрихромосомные					Меж-хромосомные
Дефишенси	Делеции	Дупликации	Инверсии	Транспозиции		Транслокации

 

Внутрихромосомные перестройки подразделяют на следующие группы:

1) дефишенси – концевые нехватки;

2) делеции – внутренние нехватки;

3) дупликации –удвоение или умножение части хромосом;

4) инверсии – изменение чередования генов в хромосоме в результате поворота участка хромосомы на 180^о.