Геномика её роль в медицине

Размещено на http://allbest.ru

Содержание

Введение

Определение генома и геномики

Задачи и цели геномики

Этапы развития геномики

Разделы геномики

Геномика её роль в медицине

Геном и его роль в фармацевтической промышленности

Генное тестирование

Генная терапия

Фармакогеномика

Генетические вакцины

Список используемой литературы



Введение

Успехи генетики, молекулярной биологии и биохимии привели к формированию в 1990-х гг. двух новых фундаментальных дисциплин -- геномики и протеомики. Бурное развитие этих дисциплин обеспечивает в наше время прогресс в ряде разделов биотехнологии, в том числе фармацевтической.

Термин "геномика" производный от генома -- совокупности всех генов организма; -- "протеомика" -- производный от протеома -- совокупности структурных и каталитических белков в клетке укариота или прокариота. Обе дисциплины можно считать как бы терминологическим оформлением современного этапа развития генетики и белковой химии, приближающим их к целостной клетке. И по времени возникновения, и в методологическом аспекте главенствующее значение здесь занимает геномика; протеомика базируется на геномике, являясь этапом познания живого уже на белковом уровне. белковый фармацевтический геном

Генетика начала XIX в. получила позднее название формальной, поскольку исследования велись на уровне "ген-признак" (открытие знаменитых основополагающих законов Г. Менделем). Существование гена было постулировано, но материальная его природа оставалась неизвестной. Лишь в 1950-е гг. после появления и быстрого подтверждения справедливости концепции о двойной спирали ДНК и о гене как участке ДНК, началось бурное развитие молекулярной генетики: были установлены размеры отдельных генов, функциональные участки в гене и т.д. Параллельно биохимиками с участием генетиков был установлен матричный механизм белкового синтеза с передачей генетического кода от ДНК к белку.



Определение генома и геномики

Прежде всего, определим понятие «геном». Существует несколько определений генома. В энциклопедическом словаре «Генетика» Н.А.Картель и др. даётся два определения генома. Во-первых, под геномом понимают совокупность гаплоидного набора хромосом данного вида организмов. И, во-вторых, - это весь генетический материал отдельного вируса, клетки или организма не являющегося аллоплоидным.

В нашем изложении мы будем исходить из того, что геном клетки это вся совокупность ДНК, находящаяся в ядре и митохондриях (пластидах) этой клетки или организма. Такое определение часто используется в работах связанных с изучением генома.

Строение и функцию генома изучает специальная наука - геномика. Успехи в изучении генома человека стали наиболее ощутимы в связи с разработкой и последующем выполнением международного проекта «Геном человека». Этот международный проект объединил усилия сотен учёных из разных стран и осуществлялся с 1989 г по 2005 г.

Главные направления проекта - картирование генов (определение локализации генов в хромосомах) и секвенирование ДНК или РНК ( порядок расположения в ДНК или РНК нуклеотидов). Инициатором этого движения с самого начала стал лауреат Нобелевской премии учёный Дж. Уотсон. В России таким энтузиастом стал академик Баев А.А. На проект было затрачено свыше 6 млрд долларов.

Материальные затраты России были настолько скромными, что их не учитывают при общем подсчёте издержек. Несмотря на это российские учёные проводили исследования по картированию 3,4,13 и 19 хромосоме. Проект позволил полностью расшифровать последовательность нуклеотидов в геноме человека.

Фактически это был первый этап - структурный. Второй этап, который назвали функциональный, будет связан с расшифровкой функции гена. Полученные результаты в области исследования генома легли в основы выпущенного в США Ч. Кэнтором и К. Смит в 2000 году первого учебника для ВУЗов «Геномика».

Задачи и цели геномики

Задача геномики -- установление полной генетической характеристики всей клетки -- количества содержащихся в ней генов и их последовательности, количества нуклеотидов в каждом гене и их последовательности, определение функций каждого гена по отношению к метаболизму организма или, более обще, применительно к его жизнедеятельности.

Геномика позволяет выразить сущность организма -- его потенциальные возможности, видовые (и даже индивидуальные) отличия от других организмов, предвидеть реакцию на внешние воздействия, зная последовательность нуклеотидов в каждом из генов и число генов.

Цель геномики -- получение информации обо всех потенциальных свойствах клетки, которые не реализуются на данный момент, например, "молчащие гены", протеомика же дает возможность охарактеризовать клетку в данный момент, зафиксировав все находящиеся в ней белки в своего рода "моментальной фотографии" функционального состояния клетки на уровне ее протеома, т.е. совокупности всех ферментных и структурных белков, которые "работают" в отличие от неэкспрессирующихся генов.

При этом, если геномика появилась прежде всего в результате развития техники секвенирования, то для протеомики такую же основополагающую роль играет техника двухмерного электрофореза -- разделения белков в одном направлении по молекулярной массе, а в другом -- по изоэлектрической точке. Сам по себе этот метод не нов, однако он в значительной мере усовершенствован, что позволяет следить в динамике за сотнями белков одновременно.

Протеомика позволяет следить за белковыми взаимодействиями. Это относится, например, к передаче сигналов от поверхности клетки к факторам избирательной транскрипции в ядре. С ее помощью может быть преобразована, таким образом, не только технология скрининга иммуносупрессоров, но и ингибиторов сигнальной трансдукции в целом. Методы протеомики позволяют получить более полную, всестороннюю картину взаимодействия с клеткой новых потенциальных антимикробных агентов. Работы по изучению динамики биосинтеза ферментов вторичного метаболизма у микроорганизмов при использовании протеомики могут быть переведены на новый, более высокий уровень.

Возвращаясь к связи протеомики с геномикой, следует подчеркнуть, что протеомика может быть названа продолжением именно функциональной геномики. В отличие от геномики предметом изучения протеомики являются продукты, кодируемые генами, экспрессирующимися в данный момент.

Минимальные геномы микроорганизмов некоторых видов состоят из нескольких сотен генов. Геном человека приближается к ста тысячам генов. Размеры отдельных генов варьируют примерно от одной тысячи пар нуклеотидов и выше. Таким образом, количество пар нуклеотидов, составляющих индивидуальный геном, измеряется как минимум сотнями тысяч, обычно же многими миллионами пар нуклеотидов.

Следовательно, для полного знания генома организма надо определить последовательность нескольких миллионов пар нуклеотидов (А-Т -- аденин-тимидин, Г-Ц -- гуанидин-цитозин). Провести "секвенирование", согласно вошедшему в употребление выражению, целого генома можно только при наличии высоких технологий и соответствующего оборудования.

В настоящее время в качестве ежесуточного итога работы многих десятков лабораторий в разных странах мира секвенируется приблизительно один миллион пар нуклеотидов. Хранить же полученные данные и пользоваться ими невозможно без обращения к специальным базам данных, некоторые из которых имеют статус международных. Широкую известность имеют базы данных института геномных исследований (США) и Гейдельбергского университета (Германия). Международные базы данных позволяют получать сведения о гене и его распространенности среди патогенов; о кодируемом этим геном продукте и об участии этого продукта (как правило, фермента) в том или ином метаболическом цикле; о катализировании им конкретной реакции в цикле. Иными словами, исходным тест-объектом для отбора антимикробных веществ, избирательных ингибиторов метаболизма становится уже не микробная культура, а ген (точнее, кодируемый им продукт).

Необходимо иметь в виду, что различие по последовательности нуклеотидов геномов разнообразных организмов не обязательно указывает на межвидовые различия; например, у микроорганизмов, используемых в качестве продуцентов в биотехнологической промышленности, зафиксированы различия в геномах у отдельных штаммов одного и того же вида. Внутривидовые различия в геномах могут обнаруживаться по всей лестнице живых существ, исключая человека (в последнем случае индивидуальные различия, выявляемые при анализе ДНК, составляют, в частности, новый эффективный прием судебной экспертизы).

Этапы развития геномики

Хотя геномика как наука появилась сравнительно недавно, но в её становлении уже можно различить несколько этапов:

1 этап. 1900 - 1940 г. На этом этап изучаются менделирующие признаки человека. Метод исследование - генеалогический анализ. Систематическое изучение генома человека фактически началось с развития менделевского анализа наследственных признаков у животных в начале 20 века. В применении к человеку это был генеалогический метод исследования наследственных признаков. На этом этапе учёные в основном выявили менделирующие признаки человека и вплотную подошли к описанию групп сцепления. Обнаружено около 400 менделирующих признаков человека и 4 группы сцепления. Начиная с 50-х годов прошлого века, процесс открытия групп сцепления и менделирующих признаков замедляется. В настоящее время генеалогический метод изучения генома человека в чистом виде себя исчерпал.

2 этап. 1940 - 1980 г. Этап изучения групп сцепления. Методы изучения - генеалогический, цитогенетический и метод гибридизации соматических клеток. Существенный прогресс цитогенетики человека, особенно генетики соматических клеток в 60-х годах в комплексе с генеалогическим подходом поставил изучение генома человека на новые теоретические основы.

Внедрение в практику научных исследований биохимических и иммунологических методов существенно ускорило не только открытие новых менделирующих признаков, но и облегчило процесс расшифровки в геноме человека новых групп сцепления генов. К сожалению, знание групп сцепления всё же не позволяет определить точную локализацию генов в хромосомах. А последнее, необходимо для успешного развития генетической инженерии и связанных с ней практических проблем в области медицины, сельского хозяйства и т.д. Поэтому начинают резко увеличиваться число исследований в области составления карт (картирования) генов.

3 этап.1980 по сегодняшний день. Этап изучения локализации генов в геноме и расшифровка их нуклеотидной последовательности. Методу изучения - биохимические, иммунологические. Этот этап начал формироваться в 1980-х годах с развитием молекулярно-генетических методов и технологии генной инженерии.

Процесс познания генома углубился до выделения гена в чистом виде и его секвенирования (установления нуклеотидной последовательности). В США и Великобритании были разработаны и внедрены автоматические приборы по секвенированию геномов. Их назвали геномотроны. В них осуществляется более 100 000 полимеразных реакций в час. Большую роль на этом этапе играют вычислительная техника и информационные системы. Благодаря им, решаются вопросы накопления информации из разных источников, хранения её и оперативное использование исследователями разных стран.

К 1980 г. был полностью картирован геном одной из бактерий, в 1986 году закончено картирование ДНК дрожжевой клетки, в 1998 году полностью картирован геном круглого червя и т.д. К настоящему времени полностью завершено определение последовательности оснований в ДНК более чем 50 представителей животного мира (в основном с малым размером генома - возбудители пневмонии, сифилиса, риккетсии, спирохеты, дрожжей, круглого червя и т.д.). Завершается аналогичная работа и в отношении генома человека.

Описано более 19 тысяч различных заболеваний человека, из них около 3 тысяч - наследственные болезни. Одна из интересных инициатив в области геномики заключается в создании искусственной ДНК, которая содержала бы минимальный набор генов, необходимых клетке для автономного существования. Подсчитано, что для этого потребуется около 350 - 450 генов.

В настоящее время вся нуклеотидная последовательность генома человека расшифрована, решается следующая задача - изучение однонуклеотидных вариаций ДНК в разных органах и клетках отдельных индивидуумов и выявление генетических различий между индивидуумами. Это позволит перейти к созданию генных портретов (карт) людей. Это с одной стороны поможет успешнее лечить заболевания, с другой ставит ряд серьёзных вопросов. Например, страховые компании могут использовать сведения из генетической карты подающего на страховку человека несущего рецессивный ген болезни, для взвинчивания цен при его страховании.

С другой стороны предполагается, что на следующем этапе развития геномики значительное место займут исследования связанные с расшифровкой функциональных характеристик всех кодирующих и не кодирующих областей генома в приложении к индивидууму. Индивидуальный подход к изучению структуры и функции генома людей, скорее всего окажется ведущим в развитии этой области генетики. Международный проект «Геном человека», в котором участвовало несколько тысяч учёных, закончил функционировать в 2000 г. Однако исследования в этом направлении не прекращаются. Это был один из самых дорогостоящих проектов в истории цивилизации, его стоимость более 500 миллионов долларов в год. К сожалению, Россия приостановила свой вклад в международный проект « Геном человека».

Разделы геномики

Геномика подразделяется на пять самостоятельных разделов.

Ш Структурная геномика изучает последовательность нуклеотидов в геноме, определяет границы и строение генов, межгенных участков, промоторов, энхансеров и др., т.е. фактически принимает участие в составлении генетических карты организма. Подсчитано, что геном человека состоит из 3,2 млрд нуклеотидов.

Ш Функциональная геномика идентифицирует функцию каждого гена и участка генома, их взаимодействие в клеточной системе. Одна из важнейших задач геномики создать, так называемую «генную сеть» - взаимосвязанную работу генов. Например, генная сеть системы кроветворения включает в себя работу не менее 500 генов. Они не только взаимосвязаны между собой, но связаны и с другими генами.

Ш Сравнительная геномика изучает сходства и различия в организации геномов разных организмов.

Ш Эволюционная геномика объясняет пути эволюции геномов, происхождение генетического полиморфизма и биоразнообразия, роль горизонтального переноса генов. В применении к человеку, также как и к любому организму, можно сказать, что эволюция человека - это эволюция генома.

Ш Медицинская геномика решает прикладные вопросы клинической и профилактической медицины на основе знания геномов человека и патогенных организмов.

Геномика человека является основой молекулярной медицины и её достижения используются при разработке эффективных методов диагностики, лечения и профилактики наследственных и не наследственных заболеваний. Если раньше предполагали, что наследственная патология, связана с определёнными генами или регуляторными зонами, то сейчас, всё большее внимание привлекают нуклеотидные последовательности, располагающиеся в межгенных промежутках. Они долгое время считались «молчащими». В настоящее время накапливается всё больше сведений об их влиянии на экспрессию генов.

Исследования в области генома ещё раз подтвердили необходимость индивидуального подхода к профилактике и лечению заболеваний. Значительный интерес представляют для медицины исследования связанные с составлением «генной сети» - схем взаимодействия генов между собой на уровне белковых продуктов. Эти исследования способствовали созданию в рамках геномики новой науки - протеомики, которая изучает белковый пейзаж клетки в различных режимах функционирования генов. Полученные результаты однозначно показывают целесообразность индивидуального подхода к лечению заболевания. Сейчас протеомика - самостоятельная наука, тесно связанная с геномикой.

В этой связи следует подчеркнуть, что тезис «лечить не болезнь, а больного» получил существенное подтверждение в многочисленных исследованиях генома и белков. Основываясь на них приоритетность этого положения в медицинской практике перестала вызывать сомнения.



Геномика её роль в медицине

В первую очередь патологическая анатомия генома позволила идентифицировать и охарактеризовать гены моногенных наследственных заболеваний. Результатом этих работ стало не только получение громадной по объему информации о вызывающих менделирующие заболевания мутациях, но и разработка новых эффективных технологий типирования ДНК, создание и хранение информационных баз данных, способов обработки больших массивов результатов.

Дальнейшее развитие работ по изучению патологической анатомии генома связано с поиском и анализом генетических факторов, играющих роль в определении сложных и количественных признаков - в том числе с поиском генов предрасположенности к мультифакториальным (многофакторным) заболеваниям. К числу таких заболеваний относятся все наиболее частые заболевания - такие как болезни сердечно-сосудистой системы, астма, сахарный диабет, многие неврологические и нейропсихиатрические заболевания.

Таким образом, именно анализ частых заболеваний позволит революционизировать медицину в целом, переведя ее на молекулярный уровень. При этом предлагаемые в рамках молекулярной медицины методы лечения и профилактики частых заболеваний будут максимально учитывать особенности генетической организации каждого конретного человека.

Очевидно, что для решения поставленной задачи необходимо будет объединить получаемые при анализе структурных особенностей генома данные с данными функциональной геномики (анализ влияния тех или изменений структуры генома на экспрессию генов и структуру их белковых продуктов), сравнительной геномики (сопоставление структуры гомологичных генов у различных видов животных), этнической геномики (анализ отличий в структуре ДНК у представителей разных этнических групп), фармакогеномики (изучение роли особенностей организации генома в метаболизме различных ксенобиотиков, в том числе лекарственных препаратов).

Разработка столь многочисленных проблем привела к существенному расширению областей интереса молекулярно-генетической науки, а также к распространению ее подходов и методов, как на смежные, так и достаточно отдаленные научные направления. К числу таких направлений в первую очередь относится медицинская генетика и взаимопроникновение этих двух областей науки привело к созданию нового направления исследований - медицинской геномики,

Медицинская геномика занимается определением генных дефектов при наследственных и других болезнях, изучением экспрессии мутантных генов и разработкой новых методов диагностики, лечения и профилактики. В рамках работ по медицинской геномике удалось разработать методы пресимптоматической, пренатальной и преимплантационной диагностики ряда наследственных заболеваний, начать работы по разработке методов генной терапии наследственных и приобретенных заболеваний, заложить основы профилактической геномно- ориентированной медицины.

Особый интерес представляет изучение молекулярно-генетических основ наследственных и мультифакториальных неврологических и нейропсихиатрических заболеваний. Это связано с тем, что изучение этой группы болезней позволяет выявить и охарактеризовать новые экспрессирующиеся в нервной системе гены, что существенно расширит генетическую базу, закладывающую основы изучения молекулярных принципов функционирования нервной системы. Так, именно при изучении неврологических заболеваний был обнаружен новый, неизвестный ранее тип мутаций - динамические мутации.

В рамках медицинской геномики неврологических болезней в настоящее время исследования ведутся по двум основным направлениям - анализу моногенных неврологических заболеваний (картирование и клонирование их генов, анализ спектра мутаций, молекулярных механизмов формирования фенотипа) и разработке подходов к анализу так называемых сложных заболеваний, имеющих мультифакториальную природу - то есть зависящих как от генетических факторов, так и от факторов внешней среды (таких как болезнь Паркинсона, болезнь Альцгеймера, боковой амиотрофический склероз ). Их изучение является новым этапом в молекулярной генетике человека, который позволит разработать методы диагностики, лечения и профилактики, учитывающие генетические факторы риска, для группы наиболее распространенных болезней - таких инсульт, сахарный диабет,ишемическая болезнь сердца.

Геном и его роль в фармацевтической промышленности

Медицинская геномика решает прикладные вопросы клинической и профилактической медицины на основе знания геномов человека и патогенных организмов (например, диагностика наследственных болезней, генотерапия. причины вирулентности болезнетворных микроорганизмов и т.д.).

Все шаги эволюции живой природы, несомненно, должны были закрепляться в информационной системе ДНК (а для некоторых существ -- в РНК), а также в организации её в клетке для выполнения консервативной функции сохранения наследственности и противоположной функции -- поддержания изменчивости. Такое представление о формировании генома каждого вида наиболее обоснованно.

Применительно к геному человека можно сказать, что эволюция человека -- это эволюция генома. Такое представление подтверждается теперь многочисленными молекулярно-генетическими исследованиями, поскольку стало возможным сопоставление геномов разных видов млекопитающих, в том числе человекообразных обезьян, а также в пределах вида Homo sapiens геномов разных рас. этносов, популяций человека и отдельных индивидов.

Организация генома каждого эукариотического вида представляет собой последовательную иерархию элементов: нуклеотидов, кодонов, доменов, генов с межгенными участками, сложных генов, плеч хромосом, хромосом, гаплоидного набора вместе с внехромосомнои и внеядерной ДНК. В эволюционном преобразовании генома каждый из этих иерархических уровней мог вести себя совершенно дискретно (изменяясь, комбинируясь с другими и т.д.).

Наши представления о геноме человека -- обширная область генетики человека, включающая по меньшей мере понятия «инвентаризации» генов, групп сцепления, картирования генов (локализация), секвенирования всей ДНК (генов, их мутаций и хромосом в целом), мейотических преобразовании, функционирования отдельных генов и их взаимодействии, интеграции структуры и функции генома в целом. На решении всех этих вопросов была сосредоточена обширная многолетняя международная программа «Геном человека» (с 1990 по 2000 г.). Главным направлением работ были последовательное секвениро- вание участков генома и их «состыковка». Ожидают, что в результате реализации этого грандиозного проекта ученые получат доступ к «книге жизни» -- к точному биохимическому коду каждого из 80-100 тыс. генов, составляющих геном человека. Ожидают, что в результате реализации этого грандиозного проекта ученые получат доступ к «книге жизни» -- к точному биохимическому коду каждого из 80-100 тыс. генов, составляющих геном человека.

Всего несколько лет назад появилась наука геномика, которая изучает весь генетический материал человека. Сегодня на базе геномики уже заложены основы новых дисциплин: геномной медицины, фармакогеномики, протеомики, микробной геномики и др.

Применение новых знаний в области генетики может кардинально изменить подходы к диагностике, лечению и профилактике сотен и даже тысяч не только наследственных генетических заболеваний (например, фенилкетонурии, муковисцидоза, талассемий), но и множества других широко распространенных болезней, в развитии которых участвуют как генетические факторы, так и факторы окружающей среды (например, болезни сердечно-сосудистой системы, сахарный диабет, некоторые формы злокачественных новообразований, психические и неврологические расстройства, инфекционные болезни, в том числе туберкулез и СПИД).

Кроме того, эти знания могут быть использованы для разработки новых источников энергии (биологического топлива), методов контроля за состоянием окружающей среды, современных способов безопасного и эффективного уничтожения токсических отходов. Потенциальные возможности в этой сфере очень велики, поскольку в настоящее время только 0,01% всех микроорганизмов культивированы и изучены. Поэтому с 1994 г. одновременно с программой изучения генома человека Министерство энергетики США осуществляет Программу изучения генома микроорганизмов (Microbal Genome Program).

Несмотря на огромную стоимость HGP -- 3 млрд долларов США (в среднем около 200 млн в год), проект позволит сэкономить значительные средства за счет эффекта масштаба. Так, затраты на поиск одного гена, который обусловливает развитие наследственного заболевания (например, муковисцидоза), составляют около 100 млн долларов США. Поэтому расшифровка каждого гена в отдельности составила бы астрономическую сумму.

Подсчитано, что системный подход к изучению всего генома обойдется намного дешевле и средняя стоимость обнаружения одного гена составит не более 30 тыс. долларов США. Гены занимают только 3% генома и могут иметь от одной тысячи до нескольких миллионов оснований. Весь геном человека состоит из 3 млрд пар оснований.

В 1996 г. была достигнута одна из целей HGP -- добиться определения последовательности оснований со скоростью 90 Mb в год (Megabase -- 1х106 пар оснований) при стоимости определения последовательности 1 пары -- 0,5 доллара США, а в соответствии с планами проекта до 2003 г. скорость определения последовательностей должна составить 500 Mb/год при стоимости 1 пары оснований 0,25 доллара. Учитывая общее количество оснований в геноме человека (3 Gb), снижение затрат на определение 1 пары оснований даже на 1 цент может принести экономию в 30 млн долларов. Снижению стоимости HGP и его более быстрой реализации способствовало совершенствование методов картирования ДНК и определения генетических последовательностей, а также применение активно развивающихся компьютерных технологий.

В 1995 г. впервые были полностью определены последовательности генома первого микроорганизма (Haemophilus influenzae), а в 1998 г. -- первого животного организма (круглого червя Caenorhabditis elegans). Если геном H. influenzae насчитывает 1,9 Mb, то геном C. elegans -- 97 Mb. К 1998 г. ученым удалось установить последовательности 7% человеческого генома.

В настоящее время полностью расшифрованы геномы 20 микроорганизмов (111 Mb), в том числе M. tuberculosis, E. coli, H. pylori. 1 декабря 1999 г. было сообщено о завершении «первой главы книги жизни» -- полном определении последовательностей одной из хромосом человека (XXII). Впервые ученые получили возможность взглянуть на организацию всей хромосомы на уровне химических оснований.

Несмотря на то что полученная информация должна быть тщательно проанализирована, уже известно, что XXII хромосома может иметь отношение к функционированию иммунной системы, развитию врожденных заболеваний сердца, шизофрении, отставанию в умственном развитии, порокам физического развития, а также к некоторым злокачественным новообразованиям и лейкозам.

С учетом этих достижений в 1998 г. участники программы провели корректировку планов осуществления HGP. Решено, что проект будет завершен на 2 года раньше срока. Таким образом, полностью геном человека будет расшифрован не позже 2003 г., а предварительный проект генома будет представлен уже весной этого года. Под полной расшифровкой генома понимают точное определение расположения всех последовательностей ДНК, даже тех больших участков, которые не содержат генов (они составляют около 97% генома).

Однако над полной расшифровкой кода работают в основном государственные институты, а не частные компании. Например, специалисты компании «Genset» (Франция) в начале 2000 г. должны завершить составление карты только 60 тыс. наиболее важных участков и, сравнивая эти участки ДНК различных людей, выявить конкретные гены, которые действительно вызывают развитие определенного заболевания. Руководитель исследований по геномике компании «Genset» Д. Коуэн считает, что, например, из 100 тыс. генов только 200 могут иметь отношение к развитию 20 наиболее распространенных заболеваний, в 80% случаев являющихся причиной смерти людей, поэтому именно таким генам следует уделить особое внимание.

Картирование генов частными компаниями, безусловно, способствует выполнению проекта, однако часто компании пытаются запатентовать отдельные участки ДНК или генов. В настоящее время вопросы патентования генетического материала недостаточно разработаны и заинтересованные стороны интенсивно работают над совершенствованием законодательства.

Данные о геноме человека и других организмов уже используют в таких областях медицины и фармации, как генная инженерия, генная терапия, фармакогенетика, протеомика, а также в создании генных вакцин.

Генное тестирование

В геноме человека около 2-5 тыс. генов, которые могут вызывать или обусловливать предрасположенность к развитию заболеваний. В результате выполнения проекта появится реальная возможность диагностировать индивидуальную предрасположенность к заболеваниям и заблаговременно принимать соответствующие меры профилактики (например, путем изменения образа жизни, проведения целенаправленных профилактических осмотров или применения генной терапии).

В конечном счете целью проекта является разработка новых методов лечения (и излечения) и предупреждения множества заболеваний. Однако путь от выявления гена, ответственного за развитие определенного патологического состояния, до создания эффективного метода лечения достаточно долог и изобилует многочисленными препятствиями.

При генном тестировании с помощью новейших методик определяют наличие генетических заболеваний путем исследования самой молекулы ДНК.

Пока многие биотехнологические компании заняты разработкой коммерческих диагностических тестов, предназначенных для выявления измененных генов у лиц с подозрением на наличие определенного заболевания или с высоким риском его развития.

Количество таких тестов на рынке постоянно увеличивается, хотя многие вопросы их практического применения пока еще недостаточно разработаны. В настоящее время большое количество диагностических лабораторий в США и странах Западной Европы проводят генетическое тестирование.

Перечни лабораторий и информация о используемых ими методах генетических или генных (так называемое ДНК-тестирование) исследований можно найти в сети Интернет.

Например, в г. Ловерваль (Бельгия) создан Европейский указатель ДНК-лабораторий, насчитывающий 314 учреждений, которые проводят ДНК-тестирование в отношении 507 генетических болезней (например, для выявления болезни Альцгеймера, атаксии-телеангиэктазии, бокового амиотрофического склероза, муковисцидоза, анемии Фанкони, ломкой Х-хромосомы, гемофилии А и B, дистрофической миотонии, серповидно-клеточной анемии, наследственной спиноцеребральной атаксии и др.).

Несмотря на то что некоторые из этих методов достаточно совершенны и играют важную роль в спасении человеческих жизней, среди врачей и ученых существуют разногласия о целесообразности проведения тестов и интерпретации результатов тестирования для выявления заболеваний, методы лечения которых отсутствуют. Кроме того, в США известны случаи, когда результаты генетического тестирования страховые компании или работодатели использовали во вред пациентам.

Генная терапия

Большинство методик генной терапии основано на введении с помощью различных методов генетического материала в клетки больного для замены, коррекции или блокирования дефектного гена. Генную терапию пытаются использовать для лечения пациентов с наследственными заболеваниями, злокачественными образованиями и СПИДом.

Генная терапия является относительно новым методом лечения. В 1990 г. американский генетик У.Ф. Андерсон впервые применил генную терапию для лечения 4-летней девочки с тяжелым иммунодефицитом (дефицит фермента аденозиндезаминазы -- АДА), при котором летальный исход наступает в первые месяцы или первые годы жизни. В качестве носителя (вектора) для переноса гена АДА в лимфоциты ex vivo был использован ретровирус.

Эксперимент оказался успешным и пациентка до сир пор жива. Однако в этой области еще не решены многие фундаментальные проблемы и практические результаты достаточно скромны, хотя клинические исследования продолжаются.

С 1990 г. и до настоящего времени (сентябрь 1999 г.) в мире было проведено или находилось в стадии проведения 396 клинических исследований, в которых приняли участие 3278 человек.

Из них 310 исследований проведено в США, 68 -- в странах Европы. Целью значительной части исследований (252) является лечение больных со злокачественными новообразованиями.

Фармакогеномика

«Фармакогеномика» -- новый термин, под которым подразумевают использование данных геномики о вариабельности генов для оптимизации поиска и разработки лекарственных веществ и для более индивидуализированного подхода к лечению больных.

Фармакогенетическими исследованиями подтверждено, что и на этническом, и на индивидуальном уровне имеются различия в механизмах обмена веществ в организме человека, которые могут значительно влиять на метаболизм лекарственных средств.

Несмотря на то что имеется множество лекарственных средств, которые специфически действуют на определенные органы или ткани организма, они не всегда являются максимально эффективными из-за индивидуальных генетических различий или генетического полиморфизма (наличие нескольких аллелей одного гена, причем носители редкого аллеля данного гена составляют 2% популяции и более).

В последние годы стало ясно, что вариабельность генов -- более распространенное явление, чем считали ранее, и этим обусловлены многие случаи неэффективного лечения или развития побочных реакций.

Ранее фармакогенетика развивалась главным образом на основе информации о генетических маркерах для генов, кодирующих определенные признаки, данных семейного анамнеза, сведений о расовых или этнических особенностях.

Применение новых методов физического картирования генов или маркеров и «функционального клонирования» генов позволяет выяснить особенности генетических механизмов нарушения обмена веществ, то есть определить гены, кодирующие соответствующие измененные белковые продукты.

В клинической практике наибольшее значение имеет полиморфизм генов, ответственных за синтез ферментов, катализирующих метаболические процессы, например процессы окисления с участием системы цитохрома Р450 (фермент CYP2D6), ацетилирования с участием N-ацетилтрансферазы, S-метилирования (тиопуринметилтрансфераза), а также гидролиза эфиров (псевдохолинэстераза).

Полиморфизм генов или кодируемых ими энзимов существенно влияет на метаболизм и соответственно на фармакокинетику и фармакодинамику большого количества лекарственных средств. Генетические исследования позволят с помощью аллельспецифической амплификации ДНК и генотипирования определять эффективную дозу лекарственного препарата и предупреждать случаи лекарственной токсичности, особенно для препаратов с ограниченной широтой терапевтического действия.

Генетические вакцины

Вакцины являются одним из важнейших достижений современной медицины. Благодаря их применению удалось ликвидировать многие смертельно опасные заболевания, воспрепятствовать распространению тяжелых болезней. Однако в отношении некоторых заболеваний обычные методы вакцинации являются неэффективными. Поэтому необходимы принципиально новые вакцины.

Перспективными считаются вакцины, созданные на основе генетического материала, участков молекул ДНК или РНК. Генетические вакцины могут обладать высокой иммуногенностью живых аттенуированных вакцин (поскольку они способны стимулировать как гуморальный, так и клеточный иммунный ответ) и безопасностью сплит- или субъединичных вакцин.

Принцип действия генетических вакцин основан на введении в клетки человека только тех участков цепочки ДНК (плазмид) возбудителя, которые при поступлении в ядро клетки индуцируют синтез антигенных белковых молекул. В настоящее время несколько генетических вакцин находятся на различных стадиях разработки и даже проводится I фаза их клинических исследований.

Результаты, полученные при изучении генома человека, используют в фармацевтической промышленности. В патогенезе любого заболевания можно выделить генетический компонент, касается ли это наследственной патологии или реакции организма на воздействие различных вредных факторов окружающей среды, таких, как вирусы, токсины, канцерогены и др. По некоторым оценкам более 50 тыс. генов могут служить потенциальными «мишенями» (объектами) для фармакологического воздействия.

Для сравнения: за последние 50 лет объектом изучения стали 500 биологических «мишеней». Все больше компаний занимаются исследованиями в области биотехнологий. По данным Consulting Resources Corporation Newsletter (1999), объем продаж такими компаниями технологий и продукции, полученной на основе использования ДНК, в 2009 г. превысит 45 млрд долларов.

В результате выполнения HGP ученые получат возможность исправлять нарушения в функционировании определенных генов. Разработка принципиально новых лекарственных средств ускорится благодаря более глубоким знаниям об этиологии полигенетических заболеваний, таких, как сахарный диабет, артериальная гипертензия, болезни сердца и новообразования.

Использование баз данных HGP, доступных для общего пользования (например, генетическая база данных «GenBank» Национальных институтов здоровья США), ускорит создание олигонуклеотидных лекарственных средств, которые способны изменять транскрипцию ДНК. При разработке медикаментов, основу которых будут составлять белковые молекулы, особо полезной станет возможность пользоваться базами данных о последовательностях ДНК.

Это облегчит прогнозирование трехмерной структуры белков и их функции. Кроме того, базы данных HGP облегчат поиск неорганических действующих веществ для лечения людей, относящихся к группам риска развития наследственных заболеваний, а также разработку стратегии исследования специфических лекарственных средств. Поэтому многие специалисты считают, что XXI век будет столетием компьютерных и биотехнологий.



Заключение

Генотерапия постепенно начинает привлекать все большее внимание научно-популярных изданий и СМИ. Несколько десятков технологий генотерапии разных заболеваний прошли апробацию на тысячах больных и добровольцах в США, Англии, Франции и других странах. В ряде клиник испытания прошли благополучно. Первая фаза клинических испытаний, как известно, направлена на проверку безопасности нового средства (метода) лечения. Имеются сообщения о нескольких случаях возникновения лейкемие-подобных заболеваний после клинической апробации некоторых технологий генотерапии. Отмечается, что во всех таких случаях использовались векторы на основе ретровирусов. Сообщается также об отдельных случаях, когда введенный ген экспрессировался не столь длительно, как было запланировано.

Однако несмотря на то, что первые испытания в клинике прошли менее успешно, чем ожидалось на основе данных доклинических испытаний, а применение некоторых видов технологий генотерапии в их сегодняшнем виде временно остановлено, в целом эти испытания продолжаются и технологии совершенствуются. Тем более что при безнадежном состоянии больного врач с согласия или по требованию последнего может проводить испытания технологий даже при определенных сомнениях, возникших в ходе их доклинической апробации.



Список используемой литературы

1. http://bibliofond.ru/view.aspx?id=432942

2. http://xn--d1aacnkch5m.xn--p1ai/14-bez-rubriki/35-bezymyannyj-2.html

3. http://www.apteka.ua/article/10403

4. http://www.2fj.ru/biologiya_i_estestvoznanie/genomika_kak_nauchnaya_disciplina.php

5. http://www.vuzllib.su/books/

Размещено на Allbest.ru