Как гены человека наносят на карту.

Красноярский Государственный

Педагогический Университет

Реферат

Тема: Как гены человека наносят на карту

работу выполнил:

студент группы 40

факультета информатики

Шишканов Д.В.

проверил:

Никольский

Красноярск 2000г.

Введение

Генетика человека как фундаментальная, так и прикладная наука. Как фундаментальная наука - это область генетики, которая изучает законы на-следственности и изменчивости у самых интересных организмов - челове-ческих существ. Научные результаты, полученные при этом, ценны для нас не только в теоретическом плане. Вот почему генетика - это также и при-кладная наука. Важность ее для благополучия человечества очень велика, успехи, достигнутые в этой области, приносят ученым большую радость, чем новые сведения, полученные в чисто теоретических или чисто приклад-ных исследованиях.

По данным Всемирной организации здравоохранения, около 2,5% но-ворожденных появляются на свет с различными пороками развития. При этом 1,5-2% из них обусловлены преимущественно неблагоприятными внешними (экзогенными) факторами, а остальные имеют преимущественно генетическую природу. Генетические факторы пороков развития отражают так называемый общий генетический груз популяции, который проявляется более чем у 5% населения планеты. Примерно 1% генетического груза при-ходится на генные мутации, 0,5% - на хромосомные мутации, около 3-3,5% соответствует болезням с выраженным наследственным компонентом (диа-бет, атеросклероз, ишемическая болезнь сердца, некоторые опухоли и т.д.). Если к этому добавить, что около 40-50% ранней младенческой смертности и инвалидности с детства обусловлены наследственными факторами и при-мерно 30% коек в детских стационарах заняты детьми с наследственной па-тологией, становится понятной безусловная необходимость правильной и рационально организованной ранней диагностики врожденных и наследст-венных болезней (пренатальной диагностики). Знания в области генетики позволили бы не только установить диагноз еще до рождения, но и предот-вратить появление на свет детей с тяжелыми, неисправимыми пороками развития, с социально значимыми смертельными генными и хромосомными болезнями.

Число генных болезней, доступных молекулярной диагностике, уже превышает 1000 и продолжает быстро увеличиваться. Созданы и постоянно совершенствуются все новые эффективные и достаточно универсальные ме-тоды ДНК-диагностики, такие, как метод полимеразной цепной реакции (ПЦР), автор которой – американский ученый Кэй Муллис отмечен Нобе-левской премией 1994 года, метод гибридизации, увековечивший имя его создателя Эд. Саузерна (1975 год), и методы ДНК-секвенирования (анализ первичной последовательности нуклеотидов в цепочке ДНК), разработан-ные П. Сэнджером.

Несколько лет назад начались исследования по международной про-грамме "Геном человека", объединившей усилия ученых многих стран. Ко-нечная цель ее – создать подробную карту человеческого генома, то есть полного набора его генов. А цель предлагаемого реферата гораздо более скромная: пробившись сквозь завесу заумных терминов (в каковом отноше-нии генетика – дисциплина неудобоваримая даже для самих генетиков), ввести читателя в курс одного из величайших научных проектов века.

География генома

До сих пор возможности науки позволяли составлять разве что гене-тические карты совсем простеньких организмов, вроде кишечной палочки. Если всю последовательность ее генов, составляющих единственную замк-нутую хромосому, распечатать на бумаге в столбик мелким шрифтом, при-своив каждому гену короткое имя из трех-четырех букв, получится книжица страниц в 300 обычного формата. А если так же поступить с человеческим геномом – итоговый труд займет 200 томов по 1000 страниц каждый.

Ныне эта необъятная "библиотека" напоминает скорее свалку книг: большинство листов не заполнено, остальные перепутаны, и вообще далеко не всегда ясно, какой том за каким идет. Известно, что геном человека на-считывает около 80000 генов, состоящих в сумме примерно из 3 млрд. пар нуклеотидов (так называется мономер двойной спирали ДНК, подобно тому как аминокислота – мономер белковой молекулы). Локализовано же всего 7000 генов – меньше 10%. Для некоторых районов генома, представляющих особый интерес, составлены довольно детальные карты, для остальных – весьма приблизительные либо вовсе никаких.

Карты генома, как и географические, можно строить в разном мас-штабе, с различным уровнем разрешения – последний зависит от точности метода анализа. Существует две разновидности карт генома – собственно генетические, получаемые косвенными методами, и физические – результат прямого исследования молекулы ДНК. Максимально возможная степень де-тализации – с точностью до пары нуклеотидов (далее п.н.). Иными словами, самая крупномасштабная карта – полная последовательность нуклеотидов с указанием, где кончается один ген и начинается следующий. Но это предел мечтаний, и пока до него далеко. А то, чем мы сегодня располагаем, - глав-ным образом мелкомасштабные карты всех 23 пар человеческих хромосом с расстоянием между отдельными маркерами – мельчайшими "различимыми на местности объектами" – 7-10 млн. п.н.

Начнем с карт, составляемых при помощи косвенных методов изуче-ния генома.

Карты генетического сцепления

Прежде всего заметим, что человеческая ДНК состоит, строго говоря, не только из генов. Ген, или экзон, - это экспрессируемый участок молеку-лы ДНК, иначе говоря, ее отрезок, на котором, как на станке, "штампуются" молекулы того или иного белка. Но подавляющее большинство нуклеотид-ных последовательностей в ДНК – интроны, не кодирующие ничего. Не всегда ясно, зачем они нужны и что делают, но – явно нужны и делают, иначе бы их не было.

Карта генетического сцепления составляется так. Сначала нужно вы-брать маркеры – какие-нибудь признаки организма, о которых точно из-вестно, что они наследственные, а не "благоприобретенные". Правда, при-знак годится на роль маркера, лишь если по нему имеются различия между индивидами и если эти различия легко выявить. Скажем, цвет глаз, или группа крови, или предрасположенность к некоей болезни.

После того как маркеры выбраны, начинается анализ их наследова-ния. У генов есть одно любопытное свойство – они могут рекомбинировать, т.е. перераспределяться. Либо в процессе развития сперматозоидов и яйце-клеток цепочка ДНК случайным образом разрывается и воссоединяется в разных местах, либо просто две хромосомы, составляющие пару (гомоло-гичные), обмениваются соответственными участками. В обоих случаях по-лучается новое сочетание признаков – те, что обычно наследуются совмест-но, разделяются.

Так вот, известна закономерность: чем ближе друг к дружке располо-жены два гена на хромосоме, тем труднее им "распрощаться" при рекомби-нации – один "тянет" за собой другой. На этом и основано построение карт сцепления. Чем реже происходит рекомбинация между данными двумя при-знаками-маркерами, тем меньше расстояние между генами, их кодирующи-ми.

Правда, таким путем можно выяснить лишь взаимное расположение "действующих" геном (экзонов) – вернее, вычислить расстояние между ни-ми на хромосоме по частоте рекомбинаций. Установлено, что если послед-няя равна 1%, дистанция между генами составляет примерно 1 млн. п.н., или 1 Мб (одну мегабазу – последнее слово и означает "миллион основа-ний", т.е. нуклеотидов). Одна мегабаза "на местности" соответствует 1 сМ на карте (одной сантиморганиде – название этой единице дали честь вели-кого генетика Т.Х. Моргана).

Но аналогичным способом можно картировать и интроны. Для них маркерами обычно служат так называемые сайты узнавания. Дело в том, что существуют специальные ферменты, предназначенные для разрезания ДНК, - рестриктазы. Это белковые молекулы особого устройства. Грубо говоря, они попросту "шинкуют" ДНК, режут на отрезки, но не как попало, а в оп-ределенных местах. Всякая рестриктаза может опознать лишь одну стан-дартную последовательность из нескольких нуклеотидов. Последняя и ста-новится сайтом узнавания для фермента. А уж как тот "покромсает" ДНК, зависит от того, сколь густо она "усеяна" сайтами узнавания. Молекулы ре-стриктазы химически связываются с ними и в этих местах рвут цепь ДНК.

Имеются сравнительно простые методы измерения длин участков, на которые порезала молекулу ДНК рестриктаза. Любое изменение сайта узна-вания ведет к тому, что тот становится "невидимым" для фермента. А зна-чит, ДНК разрезается в других местах и образуются иные по длине фраг-менты.

Чем хорош метод картирования по генетическому сцеплению – его можно применять, не имея ни малейшего представления о структуре генов тех или иных признаков. Достаточно уверенности, что таковые гены есть, а дальнейшие мероприятия направлены на то, чтобы узнать, ГДЕ они, а не КАКИЕ они.

Недостатки метода – довольно низкая разрешающая способность (7-10 Мб) и высокая трудоемкость. Кроме того, ген на карте предстает не про-тяженным отрезком ДНК (каков он "на местности"), а точкой на линии, изо-бражающей ее двойную цепь.

Наконец, к великому сожалению, человек – не дрозофила. Очень лег-ко считать частоту рекомбинации маркеров, скрещивая мелких мушек ты-сячами и десятками тысяч. А с Homo sapiens такой способ по понятным причинам не годится, и о частоте рекомбинации приходится судить по ста-тистическим данным – скажем, по заболеваемости таким-то наследствен-ным недугом в стольких-то семьях за столько-то десятилетий (а то и веков). Кстати, именно