Наследственность и представления о генетическом коде, гены индивидуальности

Явления наследственности предстают в разной форме в зависимости от уровня жизни, на котором они изучаются (молекула, клетка, организм, популяция). Но в конечном счёте наследственность обеспечивается самовоспроизведением материальных единиц наследственности (генов и цитоплазматических элементов), молекулярная структура которых известна. Закономерный матричный характер их ауторепродукции нарушается и мутациями отдельных генов или перестройками генетических систем в целом. Всякое изменение в ауторепродуцирующемся элементе наследуется константно.

Генетическая инженерия. Что такое генетическая инженерия? Генетическая инженерия - это раздел молекулярной генетики, связанный с целенаправленным созданием новых комбинаций генетического материала. Основа прикладной генетической инженерии - теория гена. Созданный генетический материал способен размножаться в клетке-хозяине и синтезировать конечные продукты обмена.

Из истории генетической инженерии. Генетическая инженерия возникла в 1972 году, в Станфордском университете, в США. Тогда лаборатория П. Берга получила первую рекомбинатную (гибридную) ДНК или (рекДНК). Она соединяла в себе фрагменты ДНК фага лямбда, кишечной палочки и обезьяньего вируса SV40.

Строение рекомбинантной ДНК. Гибридная ДНК имеет вид кольца. Она содержит ген (или гены) и вектор. Вектор - это фрагмент ДНК, обеспечивающий размножение гибридной ДНК и синтез конечных продуктов деятельности генетической системы - белков. Большая часть векторов получена на основе фага лямбда, из плазмид, вирусов SV40, полиомы, дрожжей и др. бактерий. Синтез белков происходит клетке-хозяине. Наиболее часто в качестве клетки-хозяина используют кишечную палочку, однако применяют и др. бактерии, дрожжи, животные или растительные клетки. Система вектор-хозяин не может быть произвольной: вектор подгоняется к клетке-хозяину. Выбор вектора зависит от видовой специфичности и целей исследования. Ключевое значение в конструировании гибридной ДНК несут два фермента. Первый - рестриктаза - рассекает молекулу ДНК на фрагменты по строго определенным местам. И второй - ДНК-лигазы - сшивают фрагменты ДНК в единое целое. Только после выделения таких ферментов создание искусственных генетических структур стало технически выполнимой задачей.

Этапы генного синтеза. Гены, подлежащие клонированию, могут быть получены в составе фрагментов путем механического или рестриктазного дробления тотальной ДНК. Но структурные гены, как правило, приходится либо синтезировать химико-биологическим путем, либо получать в виде ДНК-копии информационных РНК, соответствующих избранному гену. Структурные гены содержат только кодированную запись конечного продукта (белка, РНК), и полностью лишены регуляторных участков. И поэтому не способны функционировать в клетке-хозяине.

При получении рекДНК образуется чаще всего несколько структур, из которых только одна является нужной. Поэтому обязательный этап составляет селекция и молекулярное клонирование рекДНК, введенной путем трансформации в клетку-хозяина. Существует 3 пути селекции рекДНК: генетический, иммунохимический и гибризационный с мечеными ДНК и РНК.

Практические результаты генной инженерии. В результате интенсивного развития методов генетической инженерии получены клоны множества генов рибосомальной, транспортной и 5S РНК, гистонов, глобина мыши, кролика, человека, коллагена, овальбумина, инсулина человека и др. пептидных гормонов, интерферона человека и прочее. Это позволило создавать штаммы бактерий, производящих многие биологически активные вещества, используемые в медицине, сельском хозяйстве и микробиологической промышленности.

На основе генетической инженерии возникла отрасль фармацевтической промышленности, названная «индустрией ДНК». Это одна из современных ветвей биотехнологии.

Для лечебного применения допущен инсулин человека (хумулин), полученный посредством рекДНК. Кроме того, на основе многочисленных мутантов по отдельным генам, получаемых при их изучении, созданы высокоэффективные тест-системы для выявления генетической активности факторов среды, в том числе для выявления канцерогенных соединений.

Теоретическое значение генетической инженерии. За короткий срок генная инженерия оказала огромное влияние на развитие молекулярно-генетических методов и позволила существенно продвинуться по пути познания строения и функционирования генетического аппарата. Генная инженерия имеет большие перспективы в лечении наследственных болезней, которых на сегодняшний день зарегестрировано около 2000. Г.и. призвана помогать исправлять ошибки природы.

Достигнуты большие успехи в клонировании. Клон, или группа клеток, образуется делением первой клетки. Каждая соматическая клетка человека несет один и тот же набор ген, всю наследственную информацию. Если она начнет делиться, то вырастет новый организм т.е. с таким же генотипом. В 1997 г. доктор Ян Вилмут в Шотландии в г. Эддинбурге получил с группой ученых ягненка Долли (искусственным путем). Этот ягненок не имеет отца, так как клетка была взята у матери. Возникло опасение, что эксперименты по генной инженерии могут быть опасны для человечества. В 1974 г. спец. Комиссия американских биологов опубликовала сообщение генетикам мира, в котором рекомендовала воздержаться от экспериментов с некоторыми видами ДНК, пока не будут разработаны меры безопасности.

Но все-таки необходимо было разработать ограничительные меры. 30 июля 1997 г. комитет по науке в Конгрессе США проголосовал за полный запрет экспериментов, связанных с клонированием людей. Президент еще раньше запретил выделение денег на эти эксперименты.

В России в 1996 г. Государственная Дума приняла закон о государственном регулировании в области ген. инженерии.

Гены индивидуальности. “Одно из чудес, которое мы наблюдаем ежедневно и ежечасно, - неповторимая индивидуальность каждого человека, живущего на Земле. Ученым долгое время не удавалось найти ключ к этой загадке.

Известно, что вся информация о строении и развитии живого организма “записана” в его геноме - совокупности генов. Считается, что внутри одного вида геномные различия очень незначительны.” С.Х. Карпенков `Концепции современного естествознания”,М.,1997 г., стр. 309. Например, ген окраски глаз у человека отличается от гена окраски глаз у кролика, однако у разных людей этот ген устроен одинаково и состоит из одинаковых последовательностей ДНК.

Существует огромное разнообразие белков, из которых построены живые организмы и удивительное многообразие генов, кодирующих эти белки. В геноме каждого человека есть какие-то области, определяющие его индивидуальность. Некоторые гены человека отличаются от генов крысы всего несколько нуклеотидами-знаками генетического кода. Другие гены у них разные, но одинаковые у двух людей. Изменчивость, связанная с существованием генов, подобных генам группы крови у человека, также не объясняет огромного разнообразия природных белков.

В 1985 г. были обнаружены в геноме человека особые сверхизменчивые участки-мини-сателлиты. Эти участки ДНК оказались индивидуальными у каждого человека и с их помощью удалось получить “портрет “ его ДНК т. е. определенных генов.

Этот “портрет”- сложное сочетание темных и светлых полос, похожее на слегка размытый спектр, или на клавиатуру из темных и светлых клавиш разной толщины. Это сочетание называют ДНК-отпечатками (по аналогии с отпечатками пальцев) или “ДНК-профиль”

“На основе сверхизменчивых последовательностей ДНК были сконструированы специальные маркеры, или зонды ДНК.”. С.Х. Карпенков “ Основы современного естествознания”, М.,1997 г., стр. 309. Маркеры, помеченные радиоактивным изотопом, добавляют к обработанным специальным образом ДНК, с которыми первые находят сходные сверхизменчивые участки на ДНК и присоединяются к ним. Эти участки становятся радиоактивными, так что их можно выявить с помощью радиоавтографии. У каждого человека распределение таких мест индивидуально. Там, где маркеры присоеденились к большому числу сверхизменчивых участков на ДНК (много радиоавтографических сигналов)- это широкая темная полоса. Где мало мест присоединения,- узкая темная полоса. Где их совсем нет,- светлая полоса.

Итак, ученые обнаружили, что геном человека буквально “насыщен” сверхизменчивыми последовательностями ДНК. Стали обнаруживаться неуловимые прежде индивидуальные последовательности ДНК.

После разгадки индивидуальности человека, встал вопрос: обладают ли такой же индивидуальностью другие организмы? Существуют ли у них сверхизменчивые последовательности ДНК? Ученые должны были найти универсальный маркер, одинаково пригодный как для бактерий, так и для человека. Им оказался бактериофаг (вирус бактерий). Это открытие было чрезвычайно важно для работы генетиков и селекционеров.

Выяснилось, что с помощью отпечатков ДНК можно провести идентификацию личности гораздо более успешную, чем это позволяли сделать традиционные методы отпечатков пальцев и анализ крови. Вероятность ошибки - одна на несколько миллионов. Новым открытием сразу же воспользовались криминалисты, которые быстро и эффективно применили его на практике.

С помощью ДНК-отпечатков можно расследовать преступления не только настоящего времени, но и глубокого прошлого.

“ Генетические экспертизы по установлению отцовства - наиболее частый повод обращения судебных органов к генетической дактилоскопии. В судебные учреждения обращаются мужчины, сомневающиеся в своем отцовстве, и женщины, желающие получить развод на основании того, что их муж не отец ребенка. Идентификацию материнства можно проводить по отпечаткам ДНК матери и ребенка в отсутствии отца, и наоборот. для установления отцовства достаточно ДНК-отпечатков отца и ребенка. При наличии же материала матери, отца и ребенка ДНК-отпечатки выглядят не сложнее, чем картинка из школьного учебника: каждая полоса на ДНК-отпечатке ребенка может быть “адресована” либо отцу, либо матери.” С.Х. Карпенков “Основы современного естествознания”, М.,1997 г., стр. 311.

Наиболее интересны прикладные аспекты генетической дактилоскопии. Встает вопрос паспортизации по отпечаткам ДНК преступников-рецидивистов, введения в картотеки следственных органов данных об отпечатках ДНК наряду с описанием внешности, особых примет, отпечатков пальцев.

Заключение

Все что мы знаем сегодня о механизмах наследственности, действующих на всех уровнях организации живого (особь, клетка, субклеточная структура, молекула), удалось установить благодаря теоретическому и техническому вкладу многих дисциплин - биохимии, кристаллографии, физиологии, бактериологии, вирусологиию, цитологии... и, наконец, генетики. В этой кооперации генетика выступала в качестве ведущего начала исследований, унифицировавшего получаемые результаты. Генетическое истолкование биологических явлений имеет в сущности объединяющее значение, как это хорошо выражено в ставшем уже классическим афоризме Ж. Моно: “Все, что верно для бактерии, верно и для слона”. На современном этапе биологических знаний вполне обоснованно считать, что все свойства организмов, включая человека, могут быть всецело объяснены (если уже не объяснены) особенностями их генов и тех белков, которые ими кодируются. Поэтому к какой бы отрасли биологии ни относилось изучаемое явление- будь то эмбриология, физиология, патология или иммунология. теперь уже невозможно не учитывать его генетические основы. За каждым явлением скрывается его строгая детерминация- группа работающих генов и белков, осуществляющих свои функции.

Эти факты и представляют собой в совокупности солидный вклад генетики в понимание первичных механизмов жизни. Но значение генетики этим не исчерпывается. оно связано также с внутренними особенностями генетического метода.

Генетик имеет дело с мутациями, которые служат для него рабочим материалом. Действительно, мутация. выражающаяся в наследственном изменении какого-то свойства, обнаруживает известную долю генетического материала организма, о существовании и функции которой иначе было бы трудно догадаться. Генетический анализ (состоящий в прослеживании передачи какого-либо признака при половом размножении) позволяет установить число генов, ответственных за изучаемый признак. и их локализацию. Если признак представляет собой факт эмпирический, сложный (поскольку он соответствует внешним выражениям сложного взаимодействия элементарных явлений) и к тому же изменяющийся в зависимости от условий Среды и многочисленных микрофакторов, ускользающих от контроля экспериментатора. то ген, напротив,- факт точный, конкретный и стабильный. Совершенно очевидно. что стремление разложить данное явление на его генетические компоненты всегда способствует становлению метода ясного логичного анализа.

Кроме того, использование данных генетики - единственный метод, позволяющий биологу вести строго научное экспериментальное исследование и с уверенностью сопоставлять полученные результаты. Таким образом, генетика дает нам одновременно теоретически рациональный подход, вносящий ясность в понимание исследуемых явлений, и точный экспериментальный метод. Они, безусловно, сохранят свое значение до тех пор. пока не будут удовлетворительно объяснены все свойства живых организмов.

Терминологический словарь

Аллельные гены - гены, расположенные в одних и тех же точках гомологичных хромосом. Аллель может быть доминантным и рецессивным.

Гаплоидность - состояние клетки с половинным хромосомным набором (имеется лишь по одной из двух гомологичных хромосом). Гаплоидным набором хромосом обладают женские и мужские половые клетки.

Генетическая рекомбинация- обмен участками генетического материала между гомологичными хромосомами или хроматидами в процессе деления клеток.

Геном - совокупность генов, заключенная в гаплоидном наборе хромосом.

Генотип - совокупность генов в генетическом наборе у данного вида.

Гетерозиготность - состояние гибридного генетического набора, при котором гомологичные хромосомы содержат различные аллели.

Гетерохроматин - спирализованные, интенсивно окрашивающиеся участки хромосом, обладающие своеобразной генетической функцией.

Гиперплоидность - наличие большего, чем обычно, количества генетического материала.

Гипоплоидность - наличие в клетках меньшего, нежели в норме, количества генетического материала.

Гомозиготность - состояние генетического набора, при котором парные гены на гомологичных хромосомах одинаковы.

Гомологичные хромосомы - хромосомы, сходные по строению и несущие одинаковый набор аллельных генов.

Диплоидность - наличие четного числа хромосом в клетках, при котором каждой хромосоме соответствует ее гомолог.

Дифференцировка клеток - процесс специализации функций и биохимических свойств клеток в организме.

ДНК- дезоксирибонуклеиновая кислота - химическое соединение, кодирующее генетическую информацию и хранящее ее в хромосомах эукариотических клеток.

Доминантность - преимущественное появление в фенотипе одного из двух парных генетических признаков в противоположность рецессивному признаку.

Конъюгация хромосом - временное соединение гомологичных хромосом.

Мейоз - особый вид деления клеток. Его биологический смысл состоит в генетической рекомбинации и появлении гаплоидных половых клеток.

Мембрана - в биологии обозначение для белково-липидных клеточных оболочек и внутриклеточных перегородок.

Митоз- совокупность сложных процессов в ходе деления неполовых клеток.

Митохондрии - частицы в цитоплазме клетки, вырабатывающие энергию для ее жизнедеятельности.

Мутация - случайное изменение генетического материала. передающееся по наследству.

Половые хромосомы - у человека X- и Y-хромосомы. Все остальные (у человека 22 пары) именуются аутосомами.

Протокариотические клетки - клетки, у которых ДНК не содержится в четко выраженном ядре.

Репликация ДНК - удвоение молекулы ДНК перед делением клетки.

Рецессивность - отсутствие проявляемости данного аллеля в паре с доминантным аллелем.

Рибосомы - частицы в клетке, состоящие из РНК и белка. На рибосомах идет считывание (трансляция) информационной РНК и образование белка.

РНК - рибонуклетновая кислота - химическое соединение, продукт генетической активности ДНК. Служит для переноса генетических сообщений внутри клеток.

Соматические клетки - любые клетки организма, кроме половых.

Фенотип - совокупность свойств и признаков организма. которые являются результатами взаимодействия генотипа особи и окружающей среды.

Фермент - белок, катализирующий определенные химические реакции в клетке. Последовательность аминокислот в нем определяется соответствующим геном или генами.

Хромосомы - основная структурная часть ядра клетки, содержащая ДНК и белок.

Хроматиды - хромосомы, прошедшие процесс удвоения в ходе деления клетки.

Цистрон - один из эквивалентов понятия “ген”.

Цитоплазма - часть клетки, окружающая клеточное ядро. Именно в цитоплазме происходит синтез белка на рибосомах.

Эукариотические клетки - клетки. имеющие ядро. ограниченное от цитоплазмы.

Эухроматин - деспирализованные, генетически активные участки ДНК в ядрах клеток.

Ядрышко - структура внутри клеточного ядра. Место синтеза рибосомальной РНК.

Список используемой литературы

1. С.Х. Карпенков “Концепции современного естествознания”,М.,1997 г.

2. В.А. Орехова, Т.А. Лашковская, М.П. Шейбак “Медицинская геенетика”,Минск, 1997 г.

3. А.А. Богданов, Б.М. Медников “Власть над геном”, Москва “Просвещение” 1989 г.

4. А.А. Каменский, Н.А. Соколова, С.А. Титов “Биология”, Москва,1997 г.

5. Биологический энциклопедический словарь, Москва, 1989 г.

6. Маниатис Т., Методы генетической инженерии, М., 1984