Выполнила:
Студентка СД 216 мк
группы специальности
«Сестринское дело»
Солина А.Ю.
Руководитель:
Никитина И.И.
ВВЕДЕНИЕ
Любому человеку — от младшего школьника до пожилого пенсионера — интересно знать, как устроен он сам, почему он болеет, как всегда быть здоровым и что для этого нужно делать. Человеку всегда были близки науки о жизни, биология — одна из самых древних наук. Однако уже в древности стало понятно, что любое живое существо устроено несомненно сложнее, чем любой неодушевленный предмет, любое вещество, самое сложное, проще любого существа, самого примитивного. Сложность познания жизни во всех её многообразных проявлениях связана с несколькими существенными обстоятельствами. Во-первых, жизнь невероятно многообразна. Что общего можно усмотреть между бактерией, не видимой простым глазом, и, на другом конце цепочки, — китом, или слоном, или, наконец, человеком? Во-вторых, живые существа непрерывно меняются, одни виды появляются, другие исчезают. Когда жили динозавры, не было людей, а когда размножились люди, исчезли мамонты и сотни других видов животных и растений. В-третьих, жизнь необычайно чувствительна к окружающей среде, нежна, очень легко ранима. Поместите любое животное на 5–10 минут в бескислородную среду, и живой организм станет мертвым. Наконец, живые организмы необычайно сложно устроены — в их состав входит практически вся таблица Менделеева, тогда как, для сравнения, любое вещество, даже сложное органическое, не использует для построения своих молекул более 2-х десятков элементов менделеевской таблицы.
Одной из самых больших загадок биологии всегда была проблема наследования: почему мышь рождает мышь, а не крокодила? Почему дети похожи на родителей? Почему некоторые болезни передаются у людей и животных по наследству?
|
|
Старая, классическая, дарвиновская биология дала качественные, приблизительные, описательные ответы на часть этих вопросов. Биология XX века совершила гигантский скачок в понимании природы жизни, её молекулярных, химических основ. Венцом, вершиной этих титанических усилий всего мирового научного сообщества стала расшифровка строения наследственного аппарата человека, который представляет собой совокупность генов и внегенных участков ДНК — главной молекулы жизни. Коротко всю ДНК, в которой записана наследственная информация о данном организме, называют «геномом».
Раскрытие вчерне строения генома (февраль 2001 года) — событие столь же ключевое для истории человечества, как открытие электричества, атомной энергии, изобретение радио и телефонной связи и компьютеров. Человек, наконец, получил химическую, молекулярную основу для того, чтобы познать самого себя.
XXI век, несомненно, будет веком биологии. Это признают не только биологи, но и ученые других, далеких от биологии специальностей. В этом веке мы узнаем, что такое память, творческие способности, мы научимся защищать себя от многих болезней и лечить заболевания, которые мы сейчас называем неизлечимыми (рак, например).
СТРУКТУРА ГЕНОМА ЧЕЛОВЕКА
ЧТО ТАКОЕ ГЕНОМ?
С самого начала определимся, что мы здесь будем подразумевать под словом геном. Сам этот термин впервые был предложен в 1920 году немецким генетиком Г. Винклером. Тогда уже существовал другой научный термин — генотип, введенный в арсенал генетиков В. Иогансеном еще в 1909 году, под которым подразумевалась совокупность всех наследственных задатков данной конкретной клетки или данного конкретного организма. Впоследствии Иогансен сам с удивлением говорил, что его «словечко» неожиданно материализовалось в возникшей позднее хромосомной теории Т. Моргана. Но вот появился новый термин — геном. В отличие от генотипа этот термин должен был стать характеристикой целого вида организмов, а не конкретной особи. И это стало новым этапом в развитии генетики.
|
|
В биологическом словаре понятие геном определяется как совокупность генов, характерных для гаплоидного (одинарного) набора хромосом данного вида организмов.
ДНК — МОЛЕКУЛЯРНАЯ ОСНОВА ГЕНОМА
Основу генома составляет молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты, хорошо известная в сокращенном виде как ДНК. Ведь все геномы (ДНК) содержат по крайней мере два вида информации: кодированная информация о структуре молекул-посредников (так называемых РНК) и белка (эта информация содержится в генах), а также инструкции, которые определяют время и место проявления этой информации при развитии и дальнейшей жизнедеятельности организма (эта информация в основном расположена в межгенных участках, хотя частично и в самих генах). Сами гены занимают очень небольшую часть генома, но при этом составляют его основу. Информация, записанная в генах, — это своего рода «инструкция» для изготовления белков, главных строительных кирпичиков нашего тела. «На плечах» генов лежит огромная ответственность за то, как будет выглядеть и работать каждая клетка и организм в целом. Они управляют нашей жизнью от момента зачатия до самого последнего вздоха, без них не функционирует ни один орган, не течет кровь, не бьется сердце, не работают печень и мозг.
|
|
в геноме присутствуют также элементы, способствующие его самовоспроизведению (репликации), компактной упаковке ДНК в ядре и еще какие-то непонятные пока еще участки, иногда называемые «эгоистичными» (то есть как бы служащими только для самих себя).
В частности, у всех животных организмов, в том числе и у человека, имеется еще и митохондриальный геном, то есть молекулы ДНК, присутствующие в таких внутриклеточных структурах, как митохондрии, и содержащие ряд так называемых митохондриальных генов. Митохондриальный геном человека очень небольшой по сравнению с ядерным геномом, расположенным в хромосомах, но, тем не менее, его вклад в клеточный метаболизм весьма существенен.
Новые сведения о структуре генома человека
На первом этапе непосредственного исследования структуры генома человека, когда еще не существовала методология генной инженерии, для изучения ДНК применяли традиционные физико-химические методы. В этих опытах использовали суммарные препараты ДНК, целиком выделенные из ядер клеток человека.
Пожалуй, первые сведения о молекулярной структуре генома человека были получены в результате центрифугирования в пробирке растворов ДНК в хлористом цезии при довольно высоких скоростях.
Распределение полной последовательности нуклеотидов в ДНК человека.
Длительное время искали эффективные методы, позволяющие определять последовательность нуклеотидов в длинных молекулах ДНК (такое определение нуклеотидной последовательности получило название секвенирование, В данном случае осуществляется специфическая химическая фрагментация длинной цепи ДНК (полинуклеотида), радиоактивно меченной с одного конца. Затем препарат меченой ДНК разделяют на четыре порции и каждую из них обрабатывают реагентом, модифицирующим одно или два из четырех оснований, содержащихся в ней. После разделения в специальном геле меченых фрагментов по размерам (с помощью электрофореза) на рентгеновских пленках смотрят, что при этом происходит с нуклеотидной последовательностью, и на основании этого делают вывод о порядке расположения нуклеотидов друг за другом в каждом фрагменте ДНК. Однако метод оказался довольно сложным. В становлении этого метода на его начальных этапах существенную роль сыграл российский ученый академик А. Д. Мирзабеков, работавший в лаборатории У. Гилберта.
На основании полученных данных мы сегодня имеем общую характеристику нуклеотидных последовательностей ДНК, образующих геном человека, которая не будет существенно пересмотрена в дальнейшем. Можно ожидать, что множество деталей еще будет уточняться и меняться, но общая характеристика безусловно останется неизменной.
Теперь вспомним основные этапы, по которым двигалась наука на пути к достижению полного секвенирования генома человека.
ОСНОВНЫЕ ВЕХИ ГЕНЕТИКИ И ГЕНОМИКИ
е человек дезоксирибонуклеиновая кислота
1865 год
Открытие Г. Менделем (1822–1884) факторов наследственности и разработка гибридологического метода, т. е. правил скрещивания организмов и учета признаков у их потомства.
1868 год
Ф. Мишер из спермы лосося выделил фосфорсодержащее вещество, происходящее из клеточных ядер, которое он назвал нуклеином (теперь его называют дезоксирибонуклеиновой кислотой).
1871 год
Ч. Дарвин публикует свою книгу «Происхождение человека и половой отбор».
1875 год
Ф. Гальтон демонстрирует возможность использования близнецов для изучения относительного влияния на организм наследственности и окружающей среды.
1900 год
Формальное рождение генетики как науки. Независимая публикация статей Г. де Фриза, К. Корренса и Э. Чермака с изложением основных законов наследования. «Переоткрыты» и стали известны широкой научной общественности исследования Г. Менделя.
1902 год
В. Саттон и Т. Бовери независимо создают хромосомную теорию наследственности.
1905 год
У. Бэтсон предлагает слово «генетика» (от греч.???????? — порождать) для нового направления науки.
1910 год
Т. Г. Морганом установлено, что гены расположены в хромосомах в линейном порядке, образуя группы сцепления. Морган установил также закономерности наследования признаков, сцепленных с полом (Нобелевская премия 1933 г. по физиологии и медицине за экспериментальное обоснование хромосомной теории наследственности).
А. Кёссель получил Нобелевскую премию по химии за установление того, что в состав ДНК входят четыре азотистых основания: аденин, гуанин, цитозин и тимин.
1922 год
Н. И. Вавилов сформулировал «закон гомологических рядов» — о параллелизме в изменчивости родственных групп растений, то есть о генетической близости этих групп. Закон Вавилова установил определенные правила формообразования и позволил предсказывать у данного вида еще не открытые, но возможные признаки (аналогия с системой Менделеева).
1925 год
Г. А. Надсон, Г. С. Филиппов, Г. Мюллер проводят первый цикл работ по радиационным методам индукции мутаций.
1926 год
С. С. Четвериков написал статью, заложившую основы популяционной генетики и синтеза генетики и теории эволюции.
1927 год
Г. Мюллер доказал мутационный эффект рентгеновских лучей, за что в 1946 г. получил Нобелевскую премию в области физиологии и медицины.
Н. К. Кольцов выдвинул идею матричного синтеза, которая и сегодня отвечает современным представлениям биологов: «В основе каждой хромосомы лежит тончайшая нить, которая представляет собой спиральный ряд огромных органических молекул — генов. Возможно, вся эта спираль является одной гигантской длины молекулой».
1928 год
Открытие явления трансформации у бактерий (Ф. Гриффит).
1929–1930 годы
А. С. Серебровский и Н. П. Дубинин впервые продемонстрировали сложную природу организации гена; первые реальные шаги на пути создания современного представления о тонкой структуре гена.
1931 год
Барбара Мак-Клинток продемонстрировала наличие кроссинговера.
1934 год
Н. П. Дубинин и Б. Н. Сидоров открыли особый тип эффекта положения.
Б. Л. Астауров осуществил успешные опыты по получению у шелкопряда потомства из неоплодотворенных яиц (одно из самых интересных достижений в прикладной генетике того времени).
1935 год
Н. В. Тимофеев-Ресовский, К. Г. Циммер, М. Дельбрюк осуществили экспериментальное определение размеров гена. Ими дана трактовка гена с позиций квантовой механики, тем самым был создан фундамент для открытия структуры ДНК.
1940 год
Дж. Бидл и Э. Татум сформулировали теорию «один ген — один фермент». (Нобелевская премия по физиологии и медицине за 1958 г.).
1943 год
И. А. Рапопорт, Ш. Ауэрбах и Дж. Г. Робсон впервые показали индукцию мутаций химическими веществами.
1944 год
О. Эвери, К. Маклеод и М. Маккарти установили, что «веществом гена» служит ДНК. Начало «эры ДНК».
М. Дельбрюк, С. Лурия, А. Херши произвели пионерские исследования по генетике кишечной палочки и ее фагов, после чего эти объекты стали модельными для генетических исследований на многие десятилетия.
(Нобелевская премия по физиологии и медицине за 1969 год за открытие цикла репродукции вирусов и развитие генетики бактерий и вирусов).
Л. А. Зильбер сформулировал вирусно-генетическую теорию рака.
1950 год
Э. Чаргафф сформулировал знаменитое «правило Чаргаффа», которое гласит: в ДНК число нуклеотидов А равно числу Т, а число Г — числу Ц.
Б. Мак-Клинток показала существование перемещающихся генетических элементов. С большим опозданием (только в 1983 г.) она получила за это Нобелевскую премию в области физиологии и медицины.
1951 год
Р. Франклин и М. Уилкинсон получили первую рентгеннограмму молекулы ДНК.
1953 год
Ф. Крик и Дж. Уотсон, опираясь на результаты опытов генетиков и биохимиков и на данные рентгеноструктурного анализа, создали структурную модель ДНК в форме двойной спирали. В 1962 году им совместно с М. X. Ф. Уилкинсом присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине.
1956 год
Ю. Тио и A. Леван установили, что диплоидный набор хромосом у человека равен 46.
А. Корнберн обнаружил первый фермент, способный синтезировать ДНК в пробирке — ДНК-полимеразу I. В 1959 году он совместно с С. Очоа получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине за исследование механизма биологического синтеза РНК и ДНК.
1958 год
М. Мезельсон и Ф. Сталь доказали полуконсервативный механизм репликации ДНК.
1960 год
Открытие РНК-полимеразы С. Б. Вейсом, Дж. Гурвицем и А. Стивенсом.
И. А. Рапопорт сообщил об открытии «супермутагенов».
1961 год
В работах М. У. Ниренберга, Р. У. Холли и X. Г. Кораны начата расшифровка «языка жизни» — кода, которым в ДНК записана информация о структуре белковых молекул. В 1968 году все трое разделили Нобелевскую премию по физиологии и медицине, которая была присуждена им «за расшифровку генетического кода и его функционирования в синтезе белков».
Ф. Жакоб и Ж. Моно пришли к выводу о существовании двух групп генов — структурных, отвечающих за синтез специфических (ферментных) белков, и регуляторных, осуществляющих контроль за активностью структурных генов. В 1965 г. Нобелевская премия по физиологии и медицине присуждена А. М. Львову, Ф. Жакобу и Ж. Моно за открытие генетической регуляции синтеза ферментов и вирусов.
1962 год
Дж. Гёрдон осуществил первое клонирование животного организма (лягушка).
Дж. Кэндрью и М. Перутц были удостоены Нобелевской премии по химии за впервые осуществленную расшифровку трехмерной структуры белков миоглобина и гемоглобина.
1965 год
Р. Б. Хесин показал, что регуляция синтеза белка осуществляется путем включения и выключения транскрипции генов.
1966 год
Б. Вейс и С. Рихардсон открывают фермент ДНК-лигазу.
1969 год
Х. Г. Корана синтезировал химическим путем первый ген.
1970 год
Открытие обратной транскриптазы, фермента, синтезирующего ДНК с использованием комплементарной РНК в качестве матрицы. Это было сделано будущими Нобелевскими лауреатами по физиологии и медицине (1975) Г. Теминым и Д. Балтимором.
1972 год
В лаборатории Пола Берга получены первые рекомбинантные ДНК (Нобелевская премия по химии за 1980 г. вручена П. Бергу и Г. Бойеру). Заложены основы генной инженерии.
1973 год
С. Коэн и Г. Бойер разработали стратегию переноса генов в бактериальную клетку.
1974 год
С. Милстайн и Г. Келер создали технологию получения моноклональных антител. Ровно десять лет спустя они (вместе с Н. К. Ерне) получили за это Нобелевскую премию по физиологии и медицине.
Р. Д. Корнберг описывает структуру хроматина (нуклеосомы).
1975 год
С. Тонегава показал различное расположение генов, кодирующих вариабельную и константную часть иммуноглобулинов, в ДНК эмбриональных и миелоидных клеток, что дало основание для вывода о перегруппировках генов иммуноглобулинов при образовании клеток иммунной системы (Нобелевская премия по физиологии и медицине в 1987 г.).
Осуществлено первое клонирование кДНК.
Е. Саузерн описал метод переноса фрагментов ДНК на нитроцеллюлозные фильтры, метод получил название Саузерн-блот гибридизации.
1976 год
Открытие у животных (на примере дрозофилы) «прыгающих генов», сделанное Д. Хогнессом (США) и российскими учеными во главе с Г. П. Георгиевым и В. А. Гвоздевым.
Основана первая генно-инженерная компания (Genentech), использующая технологию рекомбинантных ДНК для производства различных ферментов и лекарственных средств.
Д. М. Бишоп и Г. Э. Вармус сообщили, что онкоген в вирусе представляет собою не истинный вирусный ген, а клеточный ген, который вирус «подхватил» когда–то давно в ходе репликации в клетках и теперь сохраняет в измененном мутациями виде. Было также показано, что его предшественник, клеточный протоонкоген, в здоровой клетке играет важнейшую роль — управляет ее ростом и делением. В 1989 г. оба этих ученых получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине за фундаментальные исследование канцерогенных генов опухоли.
1977 год
Опубликованы быстрые методы определения (секвенирования) длинных нуклеотидных последовательностей ДНК (У. Гилберт и А. Максам; Ф. Сенгер с соавт.). Появилось реальное средство анализа структуры генов как основа для понимания их функций. В 1980 году У. Гильберт и Ф. Сенгер совместно с П. Бергом получили Нобелевскую премию по химии «за существенный вклад в установление первичной структуры ДНК; за фундаментальные исследования биохимических свойств нуклеиновых кислот, в том числе рекомбинантных ДНК».
Полностью секвенирован геном бактериофага??174 (5386 п. н.).
Секвенирован первый ген человека — ген, кодирующий белок хорионный соматомаммотропин.
П. Шарп и Р. Робертс показали, что гены у аденовирусов (позднее выяснилось, что и у эукариотических организмов) имеют мозаичную экзонинтронную структуру, и открыли явление сплайсинга (Нобелевская премия по физиологии и медицине в 1993 г.).
К. Итакура с соавт. синтезируют химически ген соматостатина человека и осуществляет искусственный синтез гормона соматостатина в клетках кишечной палочки E. coli.
1978 год
Компания Genentech осуществила перенос эукариотического гена инсулина в бактериальную клетку, где на нем синтезирован белок — проинсулин.
Определена полная последовательность нуклеотидов ДНК вируса SV40 и фага fd.
1979 год
Показано, что химически трансформированные клетки содержат активированный онкоген BAS.
1980 год
Дж. Гордоном с соавт. получена первая трансгенная мышь. В про-нуклеус оплодотворенного одноклеточного эмбриона микроинъекцией введен ген тимидин-киназы вируса простого герпеса и показано, что этот ген работает во всех соматических клетках мыши. С тех пор трансгеноз стал основным подходом как для фундаментальных исследований, так и для решения практических задач сельского хозяйства и медицины.
1981 год
Определена полная нуклеотидная последовательность митохондриальной ДНК человека.
Несколько независимых исследовательских групп сообщили об открытии человеческих онкогенов.
1982 год
Определена полная нуклеотидная последовательность бактериофага? (48502 п. н.).
1997 год
Определена полная последовательность нуклеотидов геномов кишечной палочки E. coli и дрожжей Saccharomyces cerevisiae.
Нобелевская премия по физиологии и медицине присуждена американцу С. Прузинеру за вклад в изучение болезнетворного агента белковой природы, приона, вызывающего губчатую энцефалопатию, или «коровье бешенство» у крупного рогатого скота.
Я. Вильмут с сотрудниками впервые клонировали млекопитающее — овцу Долли.
1998 год
Определена полная нуклеотидная последовательность первого высшего организма — нематоды Caenorhabditis elegans.
У нематоды C. elegans обнаружен механизм РНК-интерференции.
1999 год
Полностью секвенирована ДНК хромосомы 22 человека.
Роберт Фурчготт, Луис Игнарро и Ферид Мурад получили Нобелевскую премию за открытие роли оксида азота в качестве сигнальной молекулы (то есть, регулятора и переносчика сигналов) сердечно-сосудистой системы.
Клонировали мышь и корову.
2000 год
Вчерне завершено полное секвенирование генома человека и дрозофилы.
Нобелевская премия по физиологии и медицине присуждена А. Карлссону, П. Грингарду и Э. Кенделу за открытие, касающееся «передачи сигналов в нервной системе».
Клонировали свинью.
2001 год
Нобелевская премия по физиологии и медицине присуждена Л. Хартвеллу, Т. Ханту и П. Нерсу за открытие ключевых регуляторов клеточного цикла.
2002 год
Полностью секвенирован геном мыши.
Нобелевская премия по физиологии и медицине присуждена С. Бреннеру, Р. Хорвитцу и Дж. Салстону за их открытия в области генетического регулирования развития органов и запрограммированной клеточной смерти.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Теперь понятно, что истинное определение человека, его сущности может быть получено только после полного секвенирования его генома, детального выяснения функций всех его элементов и их взаимодействия с различными компонентами клетки, а также сложных взаимосвязей всех клеток организма друг с другом. Огромная роль в этом будет принадлежать функциональной геномике и, в особенности, психогеномике. Мы, к сожалению, не имеем еще полного ответа на многие вопросы. Как говорили древние греки, знания представляют собой радиус круга, а незнание — длину окружности. В отношении человека и его генома радиус существенно вырос после определения структуры ДНК, но вместе с тем еще больше выросла длина окружности — наше незнание о его работе и о функционировании клетки в целом.
Морально-этические проблемы, возникшие в последние годы в связи с бурным развитием молекулярной генетики человека, также весьма сложны. В новом тысячелетии международные юристы должны быть не менее, если не сказать более продуктивными, чем ученые. И способность человечества дать достойный ответ на все возникающие вопросы в соответствующих нормах международного права — задача настолько же сложная, насколько сложна наука, ее поставившая.
Уинстон Черчилль сказал во время Второй мировой войны крылатую фразу: «Это — конец начала». Академик Л. Киселев использовал ее для отражения нынешней ситуации с геномом человека. Сегодня начинается самое главное и, без сомнения, самое интересное — изучение тончайших механизмов работы генома человека, огромного числа генов и разнообразных генных сетей, всех сложных взаимодействий многочисленных соединений и процессов в клетке, что в конечном итоге должно привести к нашему полному пониманию функционирования клетки и сущности живого. Магистральный путь современной молекулярной генетики и геномики — от имеющейся в распоряжении ученых частичной Энциклопедии человека к созданию полноценной Книги жизни.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Баранов В. С., БарановаЕ. В., Иващенко Т. Э., Асеев М. В. Геном человека и гены «предрасположенности». СПб.: Интермедика, 2000.
2. Всеобщая декларация «О геноме человека и правах человека». ЮНЕСКО, 1997.
3. Иванов В. И. Геном человека — медицине //Природа. 1998. № 10.
4. Хесин Р. Б. Непостоянство генома. М.: Наука, 1984.
5. Янковский Н. К., Боринская С. А. Геном человека: Нити судьбы //Химия и жизнь. 1998. № 4. С. 26–30.