Alumnus Univerziteta u Čikagu, dr. Josiah Zayner, kreirao je skup alata i materijala koji omogućavaju CRISPR-u da uređuje genom kod kuće. Prema naučniku, jeftin set pokazuje da je danas intervencija u DNK uobičajeni zanat, a ne umjetnost s nepredvidivim rezultatom. Sam naučnik rado demonstrira ovu ideju: u njegovom stanu ima mnogo Petrijevih zdjela s genetski modificiranim bakterijama koje su stvorene u kuhinji koristeći njegov vlastiti pribor.

Biolog Josiah Zayner nudi novi pristup popularizaciji najnaprednijeg dijela biološke nauke

Alat za uređivanje genoma CRISPR izumljen je prije tri godine i predstavlja jednostavan, brz i precizan način za manipulaciju DNK. Međutim, do sada su CRISPR koristili samo kvalifikovani stručnjaci u specijalizovanim laboratorijama.

CRISPR tehnika vam omogućava da uređujete genom čak i u kuhinji

Josiah Zainer je bio prvi koji je na tržište izbacio pojednostavljeni i pristupačni CRISPR alat za intervenciju genoma. Ovo je provokativna inicijativa, jer danas način života i razmišljanja društva u velikoj mjeri oblikuje terorizam. Kao rezultat toga, genetska modifikacija bakterija kod kuće povezana je u većini slučajeva s razvojem smrtonosnih sojeva za bioteroriste.

Naučnici također strahuju da neprofesionalci mogu slučajno stvoriti super sojeve mikroorganizama koji su otporni na antibiotike. Čak i ako se čini da su takve bakterije i gljivice bezopasne za ljude, mogu uzrokovati nepredvidive promjene u okolišu.

Modifikacije gena u kompletu su sigurne i dozvoljavaju samo manje promjene vanjskih parametara mikroorganizama, kao što je njihova boja

Međutim, prema Zaineru, njegov komplet sadrži samo bezopasne bakterije i kvasce koji ne mogu preživjeti u surovom okruženju i ne žive dugo. Modifikacija gena pomoću alata iz kompleta dozvoljava samo manje promjene u njihovim svojstvima, kao što su boja ili miris.

Komplet za kućne eksperimente u genetskom inženjeringu košta 120 dolara

Josiah Zayner vjeruje da kroz njegovo zapošljavanje mnogi talentirani i znatiželjni ljudi mogu biti od velike pomoći biologiji. Interes za genetski inženjering je od velike vrijednosti za nauku, tako da jeftin Zayner komplet može igrati čak i veću ulogu u historiji biologije od nekoliko skupih najsuvremenijih laboratorija.

Treba napomenuti da je crowdfunding Zaynerovom projektu donio više od 55.000 dolara - 333% više nego što je programer kompleta za uređivanje kućnih gena planirao.

Mutacije (od latinskog mutatio - promijeniti) su strukturne promjene gena koje se nasljeđuju.

Velike mutacije (genomska preuređivanja) praćene su gubitkom ili promjenom relativno velikih dijelova genoma; takve su mutacije, u pravilu, nepovratne.

Male (tačkaste) mutacije su povezane sa gubitkom ili dodavanjem pojedinačnih DNK nukleotida. U ovom slučaju se mijenja samo mali broj karakteristika. Takve izmijenjene bakterije mogu se potpuno vratiti u prvobitno stanje (vratiti).

Bakterije sa izmijenjenim osobinama nazivaju se mutanti. Faktori koji uzrokuju stvaranje mutanata nazivaju se mutageni.

Bakterijske mutacije se dijele na spontane i inducirane. Spontane (spontane) mutacije nastaju pod uticajem nekontrolisanih faktora, odnosno bez intervencije eksperimentatora. Inducirane (ciljane) mutacije nastaju kao rezultat tretmana mikroorganizama posebnim mutagenima (hemikalije, zračenje, temperatura i

Kao rezultat bakterijskih mutacija može se uočiti: a) promjena morfoloških svojstava b) promjena kulturnih svojstava c) pojava otpornosti mikroorganizama na lijekove d) gubitak sposobnosti sintetiziranja aminokiselina, korištenja ugljikohidrati i druge hranjive tvari e) slabljenje patogenih svojstava itd.

Ako mutacija dovede do toga da mutagene stanice stječu prednost u odnosu na ostale stanice populacije, tada se formira populacija mutantnih stanica i nasljeđuju se sva stečena svojstva. Ako mutacija ne daje ćeliji prednosti, tada mutantne stanice, po pravilu, umiru.

Transformacija. Ćelije koje su u stanju da prihvate DNK druge ćelije tokom transformacije nazivaju se kompetentne.

Transdukcija je prijenos genetske informacije (DNK) sa bakterije donora na bakteriju primaoca uz sudjelovanje bakteriofaga. Transdukciona svojstva su uglavnom umjereni fagi. Reproducirajući se u bakterijskoj ćeliji, fagi ugrađuju dio bakterijske DNK u svoju DNK i prenose je primaocu.

Postoje tri vrste transdukcije: opća, specifična i abortivna.

1 . Opća transdukcija je prijenos različitih gena koji se nalaze na različitim dijelovima bakterijskog kromosoma.

Istovremeno, donorske bakterije mogu prenijeti na primatelja različite karakteristike i svojstva – sposobnost stvaranja novih enzima, otpornost na lijekove itd.

2. Specifična transdukcija je prijenos fagom samo nekih specifičnih gena lokaliziranih u posebnim regijama bakterijskog hromozoma. U ovom slučaju se prenose samo određene karakteristike i svojstva.

3. Abortivna transdukcija - prijenos fagom jednog fragmenta hromozoma donora. Obično ovaj fragment nije uključen u hromozom ćelije primaoca, već cirkuliše u citoplazmi. Kada se ćelija primaoca podeli, ovaj fragment se prenosi samo na jednu od dve ćelije kćeri, a druga ćelija prima nepromenjeni hromozom primaoca.

Uz pomoć transducirajućih faga, brojna svojstva se mogu prenijeti s jedne ćelije na drugu, kao što su sposobnost stvaranja toksina, spora, flagela, proizvodnje dodatnih enzima, otpornost na lijekove itd.

Konjugacija je prijenos genetskog materijala s jedne bakterije na drugu direktnim kontaktom ćelije. Ćelije koje prenose genetski materijal nazivaju se donori, a one koje ga primaju nazivaju se primatelji. Ovaj proces je jednostran - od ćelije donora do ćelije primaoca.

Donorske bakterije su označene kao F+ (muški tip), a bakterije primateljice F- (ženski tip). Sa bliskim približavanjem F + i F - ćelija, između njih se pojavljuje citoplazmatski most. Formiranje mosta kontroliše faktor F (od engl. Fertility - plodnost). Ovaj faktor sadrži gene odgovorne za formiranje genitalnih resica (sex pili). Samo one ćelije koje sadrže faktor F mogu obavljati funkciju donora. Ćelije primateljice su lišene ovog faktora. Prilikom ukrštanja, F faktor se prenosi sa ćelije donora na primaoca. Nakon što dobije F faktor, ženska ćelija sama postaje donor (F +).

Proces konjugacije može se mehanički prekinuti, na primjer protresanjem. U tom slučaju, primalac prima nepotpune informacije sadržane u DNK.

Konjugacija, kao i druge vrste rekombinacije, može se dogoditi ne samo između bakterija iste vrste, već i između bakterija različitih vrsta. U tim slučajevima, rekombinacija se naziva interspecifična.

Plazmidi su relativno male ekstrahromozomske DNK molekule bakterijske ćelije. Nalaze se u citoplazmi i imaju kružnu strukturu. Plazmidi sadrže nekoliko gena koji funkcionišu nezavisno od gena sadržanih u hromozomskoj DNK.

Profagi koji uzrokuju brojne nasljedne promjene u lizogenoj ćeliji, kao što je sposobnost stvaranja toksina (vidi transdukciju).

F-faktor, koji je u autonomnom stanju i učestvuje u procesu konjugacije (vidi konjugaciju).

R-faktor, koji daje ćelijsku otpornost na lijekove (prvi put je R-faktor izolovan iz Escherichia coli, zatim iz Shigella). Istraživanja su pokazala da se R faktor može ukloniti iz ćelije, što je općenito karakteristično za plazmide.

K-faktor ima intraspecifičnu, interspecifičnu, pa čak i međugeneričku prenosivost, što može uzrokovati stvaranje teško dijagnostiljivih atipičnih sojeva.

Bakteriocinogeni faktori (col-faktori), koji su prvi put otkriveni u kulturi Escherichia coli (E. coli), zbog čega se nazivaju kolicini. Kasnije su pronađeni i u drugim bakterijama: vibrio cholerae - vibriocini, stafilokoki - stafilocini itd.

Co l -faktor je mali autonomni plazmid koji određuje sintezu proteinskih supstanci sposobnih da izazovu smrt bakterija svoje ili blisko srodne vrste. Bakteriocini se adsorbiraju na površini osjetljivih stanica i uzrokuju metaboličke poremećaje, što dovodi do smrti stanice.

U prirodnim uslovima, samo nekoliko ćelija u populaciji (1 na 1000) spontano proizvodi kolicin. Međutim, pod određenim utjecajima na kulturu (tretman bakterija UV zrakama) povećava se broj stanica koje proizvode kolicin.

PRAKTIČNI ZNAČAJ VARIJABILNOSTI MIKROKORAHINA

Čak je i Pasteur vještački dobio nepovratne promjene u uzročnicima bjesnila i antraksa i pripremio vakcine koje štite od ovih bolesti. Dalja istraživanja u oblasti genetike i varijabilnosti mikroorganizama omogućila su dobijanje velikog broja bakterijskih i virusnih sojeva koji se koriste za dobijanje vakcina.

Rezultati istraživanja genetike mikroorganizama uspješno su korišteni za rasvjetljavanje obrazaca nasljeđa kod viših organizama.

Nova grana genetike, genetski inženjering, takođe je od velikog naučnog i praktičnog značaja.

Metode genetskog inženjeringa omogućavaju promjenu strukture gena i uključivanje gena drugih organizama odgovornih za sintezu važnih i potrebnih tvari u bakterijski kromosom. Kao rezultat toga, mikroorganizmi postaju proizvođači takvih tvari, čija je proizvodnja kemijskim putem vrlo težak, a ponekad čak i nemoguć zadatak. Na ovaj način se trenutno dobijaju lekovi kao što su insulin, interferon i dr. Uz pomoć mutagenih faktora i selekcije dobijeni su mutanti koji proizvode antibiotike, koji su 100-1000 puta aktivniji od originalnih.

9. Genetika imuniteta

Genetsko određivanje imunološkog odgovora organizma viših životinja

Mehanizam sinteze monospecifičnih antitijela i imunološke memorije

Nasljednost nivoa imunološkog odgovora organizma i mogućnost selekcije životinja za otpornost na infekcije.

Imunitet je imunitet organizma na infektivne agense i genetski strane supstance antigene prirode. Glavna funkcija imuniteta je imunološki nadzor unutrašnje postojanosti (homeostaze) organizma.

Posljedica ove funkcije je prepoznavanje, a zatim blokiranje, neutralizacija ili uništavanje genetski stranih supstanci (virusa, bakterija, stanica raka, itd.). Imuni sistem organizma, ukupnost svih limfoidnih ćelija (specifični zaštitni faktor), odgovoran je za održavanje genetski određene biološke individualnosti. Nespecifični zaštitni faktori uključuju kožu i mukozne membrane. Imunološki odgovor ili imunološka reaktivnost je oblik reakcije tijela na strane tvari (antigene). Glavna funkcija antitijela je njihova sposobnost da uđu u brzu reakciju s antigenom u obliku reakcije glutinacije, precipitacije, lize, neutralizacije.

10. Krvne grupe i biohemijski polimorfizam.

Koncept krvnih grupa

Nasljednost krvnih grupa

Praktična primjena krvnih grupa u stočarstvu

Polimorfni proteinski sistemi i njihov odnos sa produktivnošću životinja

Metode određivanja krvnih grupa i polimorfnih proteinskih sistema.

Krvne grupe su otkrivene 1900. (kod ljudi) i objašnjene 1924. A 1936. godine korišten je termin imunogenetika. Unutar vrste, jedinke se razlikuju po brojnim hemijskim, genetski određenim osobinama koje se imunogenetski mogu detektovati u obliku antigena (genetski stranih supstanci koje, kada se unesu u organizam, izazivaju imunogenetičke reakcije). Antitijela su imunoglobulini (proteini) koji se formiraju u tijelu pod utjecajem antigena; razlike u krvnoj grupi određuju antigeni koji se nalaze na površini crvenih krvnih stanica. Antigeni faktori se ponekad nazivaju krvni faktori, zbir svih krvnih grupa jedne osobe naziva se krvna grupa. Nakon rođenja krvna grupa kod životinja se ne mijenja. Genetski sistemi krvnih grupa i antigena označavaju se velikim i malim slovima - A, B, C itd. Antigena je mnogo, pa pišu simbolima A, B, C, i indeksima A1, A2 itd.

Početna | O nama | Povratne informacije

GENOTIPSKA (NASLJEDNA) VARIJABILNOST

Genotipska varijabilnost može nastati kao rezultat mutacija i genetskih rekombinacija.

Mutacije (od latinskog mutatio - promjena) su naslijeđene strukturne promjene gena.

Velike mutacije (genomska preuređivanja) praćene su gubitkom ili promjenom relativno velikih dijelova genoma; takve su mutacije obično ireverzibilne.

Male (tačkaste) mutacije su povezane sa gubitkom ili dodavanjem pojedinačnih baza DNK. U ovom slučaju se mijenja samo mali broj karakteristika. Takve izmijenjene bakterije mogu se potpuno vratiti u prvobitno stanje (vratiti).

Bakterije sa izmijenjenim osobinama nazivaju se mutanti. Faktori koji uzrokuju stvaranje mutanata nazivaju se mutageni.

Bakterijske mutacije se dijele na spontane i inducirane. Spontane (spontane) mutacije nastaju pod uticajem nekontrolisanih faktora, tj. bez intervencije eksperimentatora. Inducirane (usmjerene) mutacije nastaju kao rezultat tretmana mikroorganizama posebnim mutagenima (hemikalije, zračenje, temperatura itd.).

Bakterijske mutacije mogu dovesti do:

a) promjena morfoloških svojstava

b) promjena kulturnih dobara

c) pojava rezistencije na lijekove kod mikroorganizama

d) gubitak sposobnosti za sintezu aminokiselina, iskorištavanje ugljikohidrata i drugih nutrijenata

e) slabljenje patogenih svojstava itd.

Ako mutacija dovede do činjenice da mutagene stanice stječu prednosti u odnosu na druge stanice populacije, tada se formira populacija mutantnih stanica, a sva stečena svojstva se nasljeđuju. Ako mutacija ne daje ćeliji prednosti, tada mutantne stanice, po pravilu, umiru. genetska rekombinacija. Transformacija. Ćelije koje su u stanju da prihvate DNK druge ćelije tokom transformacije nazivaju se kompetentne. Stanje kompetencije često se poklapa sa logaritamskom fazom rasta.

Transdukcija je prijenos genetske informacije sa bakterije donora na bakteriju primaoca uz sudjelovanje bakteriofaga. Transdukciona svojstva su uglavnom umjereni fagi. Reproducirajući se u bakterijskoj ćeliji, fagi ugrađuju dio bakterijske DNK u svoju DNK i prenose je primaocu. Postoje tri vrste transdukcije: opća, specifična i abortivna.

1. Opća transdukcija je prijenos različitih gena koji se nalaze na različitim dijelovima bakterijskog hromozoma. Istovremeno, donorske bakterije mogu prenijeti na primatelja različite karakteristike i svojstva – sposobnost stvaranja novih enzima, otpornost na lijekove itd.

2. Specifična transdukcija je prijenos
fag samo neke specifične gene lokalizovane u posebnim regionima bakterijskog hromozoma. U ovom slučaju se prenose samo određene karakteristike i svojstva.

3. Abortivna transdukcija - prijenos fagom jednog enzima donora hromozoma. Obično ovaj fragment nije uključen u hromozom ćelije primaoca, već cirkuliše u citoplazmi. Kada se ćelija primaoca podeli, ovaj fragment se prenosi samo na jednu od dve ćelije kćeri, a druga ćelija prima nepromenjeni hromozom primaoca.

Uz pomoć transducirajućih faga, čitav niz svojstava se može prenijeti s jedne ćelije na drugu, kao što je sposobnost stvaranja toksina, spora, flagela, proizvodnje dodatnih enzima, otpornosti na lijekove itd.

Konjugacija je prijenos genetskog materijala s jedne bakterije na drugu putem direktnog kontakta ćelije. Ćelije koje doniraju genetski materijal nazivaju se donori, a one koje ga primaju nazivaju se primatelji. Ovaj proces je jednostran - od ćelije donora do ćelije primaoca.

Donorske bakterije su označene kao F+ (muški tip), a bakterije primateljice označene su kao F- (ženski tip). Kada se F+ i F- ćelije približe, između njih se pojavljuje citoplazmatski most. Formiranje mosta kontroliše faktor F (od engleskog fertility - plodnost). Ovaj faktor sadrži gene odgovorne za formiranje genitalnih resica (sex-pili). Funkciju donora mogu obavljati samo one ćelije koje sadrže faktor F. Ćelije primateljice su lišene ovog faktora. Prilikom ukrštanja, F faktor se prenosi sa ćelije donora na primaoca. Nakon što dobije F faktor, ženska ćelija sama postaje donor (F +).

Proces konjugacije može se mehanički prekinuti, na primjer protresanjem. U tom slučaju, primalac prima nepotpune informacije sadržane u DNK.

Prijenos genetske informacije konjugacijom najbolje je proučavan kod Enterobacteriaceae.

Konjugacija se, kao i druge vrste rekombinacije, može izvesti ne samo između bakterija iste vrste, već i između bakterija različitih vrsta.U tim slučajevima rekombinacija se naziva interspecifična.

Genotipska varijabilnost je naslijeđena

Plazmidi su relativno male ekstrahromozomske DNK molekule bakterijske ćelije. Nalaze se u citoplazmi i imaju kružnu strukturu. Plazmidi sadrže nekoliko gena koji funkcionišu nezavisno od gena sadržanih u hromozomskoj DNK.

Slika 54 Plazmidi (ekstrahromozomske DNK molekule)

Tipična karakteristika plazmida je njihova sposobnost samoreprodukcije (replikacije).

Također se mogu kretati iz jedne ćelije u drugu i uključivati ​​nove gene iz okoline. Plazmidi uključuju:

Profagi. uzrokujući brojne promjene u lizogenoj ćeliji koje su naslijeđene, na primjer, sposobnost stvaranja toksina (vidi transdukciju). F-faktor, koji je u autonomnom stanju i učestvuje u procesu konjugacije (vidi konjugaciju).

R-faktor, koji daje ćelijsku otpornost na lijekove (prvi put je R-faktor izolovan iz Escherichia coli, zatim iz Shigella). Istraživanja su pokazala da se R-faktor može ukloniti iz ćelije, što je općenito karakteristično za plazmide.

R-faktor ima intraspecifičnu, interspecifičnu, pa čak i međugeneričku prenosivost, što može uzrokovati stvaranje teško dijagnostiljivih atipičnih sojeva.

Bakteriocinogeni faktori (col-faktori), koji su prvi put otkriveni u kulturi Escherichia coli (E. coli), zbog čega se nazivaju kolicini. Kasnije su pronađeni i u drugim bakterijama: vibrio cholerae - vibriocini, stafilokoki - stafilocini itd.

Kol-faktor je mali autonomni plazmid koji određuje sintezu proteinskih supstanci sposobnih da izazovu smrt bakterija svoje ili blisko srodne vrste. Bakteriocini se adsorbiraju na površini osjetljivih stanica i uzrokuju metaboličke poremećaje, što dovodi do smrti stanice.

U prirodnim uslovima, samo nekoliko ćelija u populaciji (1 na 1000) spontano proizvodi kolicin. Međutim, pod određenim utjecajima na kulturu (tretman bakterija UV zrakama) povećava se broj stanica koje proizvode kolicin.

Promjene funkcionalnih gena

Za mutirane ćelije, mutacije mogu biti somatske (na primjer, različite boje očiju kod jedne osobe) i generativne (ili gametske). Generativne mutacije se prenose na potomstvo, somatske mutacije se manifestuju u samoj jedinki. Nasljeđuju se samo vegetativnim razmnožavanjem.

Prema ishodu (vrijednosti) za organizam, mutacije se razlikuju pozitivne, neutralne i negativne. Pozitivne mutacije su rijetke. Oni povećavaju vitalnost organizma i važni su za evoluciju (na primjer, mutacije koje dovode do pojave četverokomornog srca tokom evolucije hordata). Neutralne mutacije praktički ne utječu na vitalne procese (na primjer, mutacije koje dovode do prisutnosti pjega). Negativne mutacije se dijele na polu-smrtonosne i smrtonosne. Poluletalne mutacije smanjuju vitalnost organizma, skraćuju mu životni vijek (na primjer, mutacije koje dovode do Downove bolesti). Uzrok smrtonosnih mutacija
smrt organizma prije rođenja ili u vrijeme rođenja (na primjer, mutacije koje dovode do odsustva mozga).

Promjenom fenotipa, mutacije su morfološke (na primjer, smanjene očne jabučice, šest prstiju na ruci) i biohemijske (na primjer, albinizam, hemofilija).

Promjenom genotipa razlikuju se genomske, hromozomske i genske mutacije.

Genomske mutacije su promjena broja hromozoma pod uticajem faktora sredine. Haploidija - skup hromozoma 1n. U prirodi se nalazi kod trutova (muških) pčela. Viabilnost takvih organizama je smanjena, jer imaju sve recesivne gene.

Poliploidija - povećanje haploidnog seta hromozoma (3n, 4n, 5n). Poliploidija se koristi u biljnoj proizvodnji. To dovodi do povećane produktivnosti. Za ljude, haploidija i poliploidija su smrtonosne mutacije.

Aneuploidija je promjena u broju hromozoma u odvojenim parovima (2n±1, 2n±2, i tako dalje).

Trisomija. na primjer, ako se paru polnih hromozoma u ženskom tijelu doda X hromozom, razvija se sindrom trizomije X (47, XXX), ako se doda polnim hromozomima muškog tijela, razvija se Klinefelterov sindrom (47, XXI ). Monosomija. odsustvo jednog hromozoma u paru - 45, X0 - Shereshevsky-Turnerov sindrom. Nulizomija. odsustvo para homolognih hromozoma (za ljude - smrtonosna mutacija).

Kromosomske mutacije (ili hromozomske aberacije) su promjene u strukturi hromozoma (interhromozomske ili intrahromozomske). Preuređenja unutar jednog hromozoma nazivaju se inverzije, nestašice (nedostaci i delecije), duplikacije. Interhromozomska preuređivanja se nazivaju translokacije.

Primjeri: delecija - sindrom mačjeg krika kod ljudi umnožavanje - pojava prugastih očiju kod inverzije Drosophila - promjena u redoslijedu gena.

Translokacije mogu biti: recipročne - dva hromozoma razmenjuju segmente nerecipročne - segmenti jednog hromozoma se prenose na drugi Robertsonov - dva akrocentrična hromozoma su povezana svojim centromernim regionima.

Nedostaci i duplikacije se uvijek manifestiraju fenotipski kako se skup gena mijenja. Inverzije i translokacije se ne pojavljuju uvijek. U tim slučajevima, konjugacija homolognih hromozoma postaje teža i poremećena je distribucija genetskog materijala između ćelija kćeri.

Genske mutacije se nazivaju tačkaste mutacije ili transgeneracije. Povezuju se s promjenama u strukturi gena i uzrokuju razvoj metaboličkih bolesti (njihova učestalost je 2-4%).

Promjene u strukturnim genima.

1. Pomak okvira nastaje kada se jedan ili više parova nukleotida ispusti ili ubaci u molekul DNK.

2. Tranzicija - mutacija u kojoj je purinska baza zamijenjena purinskom bazom ili pirimidinska baza pirimidinskom bazom (A G ili C T). Ova zamjena rezultira promjenom kodona.

3. Transverzija - zamjena purinske baze pirimidinskom bazom ili pirimidinske baze purinskom bazom (A C G T) - dovodi do promjene kodona. Promjena značenja kodona dovodi do miscenijskih mutacija. Ako se formiraju besmisleni kodoni (UAA, UAG, UGA), oni uzrokuju besmislene mutacije. Ovi kodoni ne definiraju aminokiseline, već su terminatori – određuju kraj čitanja informacija.

1. Represorski protein je promijenjen, ne odgovara genu operatera. U ovom slučaju strukturni geni nisu isključeni i rade stalno.

2. Protein represora se čvrsto veže za gen operatera i induktor ga ne "uklanja". Strukturni geni ne rade stalno.

3. Kršenje smjenjivanja procesa represije i indukcije. Ako je induktor odsutan, specifični protein se sintetiše, a u prisustvu induktora se ne sintetiše. Takve smetnje u radu transkriptona uočavaju se kod mutacija u gen-regulatoru ili gen-operatoru.

Trenutno je opisano oko 5.000 metaboličkih bolesti koje su uzrokovane mutacijama gena. Primjeri za njih mogu biti fenilketonurija, albinizam, galaktozemija, razne hemofilije, anemija srpastih stanica, ahondroplazija itd.

U većini slučajeva, mutacije gena se manifestiraju fenotipski.

Nasljednost i varijabilnost. Hromozomska teorija nasljeđa

Naslijeđe je najvažnija karakteristika živih organizama, koja se sastoji u sposobnosti da prenesu svojstva i funkcije roditelja na svoje potomke. Ovaj prijenos se odvija uz pomoć gena.

Gen je jedinica skladištenja, prijenosa i realizacije nasljednih informacija. Gen je specifičan dio molekule DNK, u čijoj strukturi je kodirana struktura određenog polipeptida (proteina). Vjerovatno mnoge regije DNK ne kodiraju proteine, već obavljaju regulatorne funkcije. U svakom slučaju, u strukturi ljudskog genoma samo oko 2% DNK čine sekvence na osnovu kojih se sintetiše glasnička RNK (proces transkripcije), koja zatim određuje sekvencu aminokiselina tokom sinteze proteina (proces translacije). Trenutno se vjeruje da u ljudskom genomu postoji oko 30.000 gena.

Geni se nalaze na hromozomima, koji se nalaze u jezgri ćelija i predstavljaju džinovske molekule DNK.

Teoriju o nasljeđu kromosoma formulirali su 1902. Setton i Boveri. Prema ovoj teoriji, hromozomi su nosioci genetske informacije koja određuje nasljedna svojstva organizma. Kod ljudi svaka ćelija ima 46 hromozoma, podeljenih u 23 para. Hromozomi koji formiraju par nazivaju se homologni.

Polne ćelije (gamete) nastaju posebnom vrstom diobe - mejozom. Kao rezultat mejoze, u svakoj zametnoj stanici ostaje samo jedan homologni hromozom iz svakog para, tj. 23 hromozoma. Takav jedan skup hromozoma naziva se haploidnim. Prilikom oplodnje, kada se muška i ženska spolna stanica spoje i formira se zigota, obnavlja se dvostruki skup koji se naziva diploid. U zigotu organizma koji se iz njega razvija, jedan hromozom iz svake nare dobija se od očinskog organizma, drugi od majčinog.

Genotip je skup gena koji je organizam primio od svojih roditelja.

Još jedan fenomen koji genetika proučava je varijabilnost. Varijabilnost se shvata kao sposobnost organizama da steknu nova svojstva – razlike unutar vrste. Postoje dvije vrste promjena:
- nasledno
- modifikacija (nenasljedna).

Nasljedna varijabilnost je oblik varijabilnosti uzrokovan promjenama u genotipu, koje mogu biti povezane s mutacijskom ili kombinativnom varijabilnosti.

mutaciona varijabilnost.
Geni s vremena na vrijeme prolaze kroz promjene koje se nazivaju mutacije. Ove promjene su nasumične i pojavljuju se spontano. Uzroci mutacija mogu biti vrlo raznoliki. Postoji niz faktora koji povećavaju vjerovatnoću pojave mutacije. To može biti izloženost određenim hemikalijama, zračenju, temperaturi itd. Mutacije mogu biti uzrokovane ovim sredstvima, ali ostaje nasumična priroda njihovog pojavljivanja i nemoguće je predvidjeti pojavu određene mutacije.

Rezultirajuće mutacije se prenose na potomke, odnosno određuju nasljednu varijabilnost, koja je povezana s tim gdje se mutacija dogodila. Ako dođe do mutacije u zametnoj ćeliji, tada ima mogućnost da se prenese na potomke, tj. biti naslijeđen. Ako se mutacija dogodila u somatskoj stanici, onda se prenosi samo na one od njih koje proizlaze iz ove somatske ćelije. Takve mutacije se nazivaju somatskim, one se ne nasljeđuju.

Postoji nekoliko glavnih tipova mutacija.
- Genske mutacije, kod kojih dolazi do promjena na nivou pojedinačnih gena, odnosno dijelova molekula DNK. To može biti gubitak nukleotida, zamjena jedne baze drugom, preuređenje nukleotida ili dodavanje novih.
- Kromosomske mutacije povezane s kršenjem strukture hromozoma dovode do ozbiljnih promjena koje se mogu otkriti mikroskopom. Takve mutacije uključuju gubitak hromozomskih sekcija (delecije), dodavanje sekcija, rotaciju hromozomskog preseka za 180° i pojavu ponavljanja.
- Genomske mutacije su uzrokovane promjenom broja hromozoma. Mogu se pojaviti ekstra homologni hromozomi: u hromozomskom setu, umjesto dva homologna hromozoma, postoje tri trizomije. U slučaju monosomije dolazi do gubitka jednog hromozoma iz para. Kod poliploidije dolazi do višestrukog povećanja genoma. Druga varijanta genomske mutacije je haploidija, u kojoj od svakog para ostaje samo jedan hromozom.

Na učestalost mutacija utiču, kao što je već spomenuto, niz faktora. Kada dođe do brojnih genomskih mutacija, starost majke je posebno važna.

Varijabilnost kombinacije.
Ova vrsta varijabilnosti određena je prirodom seksualnog procesa. Uz kombinovanu varijabilnost, novi genotipovi nastaju zbog novih kombinacija gena. Ova vrsta varijabilnosti se manifestuje već u fazi formiranja zametnih ćelija. Kao što je već spomenuto, svaka polna ćelija (gameta) sadrži samo jedan homologni hromozom iz svakog para. Hromozomi nasumično ulaze u gametu, tako da se zametne ćelije jedne osobe mogu dosta razlikovati u setu gena u hromozomima. Još važnija faza za nastanak kombinativne varijabilnosti je oplodnja, nakon koje se 50% gena novonastalog organizma nasljeđuje od jednog roditelja, a 50% od drugog.

Promjenjivost modifikacije nije povezana s promjenama genotipa, već je uzrokovana utjecajem okoline na organizam u razvoju.

Prisustvo modifikacione varijabilnosti je veoma važno za razumevanje suštine nasleđivanja. Osobine se ne nasljeđuju. Možete uzeti organizme sa potpuno istim genotipom, na primjer, uzgajati reznice iz iste biljke, ali ih smjestiti u različite uvjete (svjetlo, vlažnost, mineralna ishrana) i dobiti sasvim različite biljke s različitim osobinama (rast, prinos, oblik lista) i tako dalje.). Za opisivanje stvarno formiranih znakova organizma koristi se koncept "fenotipa".

Fenotip je čitav kompleks stvarno nastalih znakova organizma, koji nastaje kao rezultat interakcije genotipa i uticaja okoline tokom razvoja organizma. Dakle, suština nasljeđivanja nije u nasljeđivanju osobine, već u sposobnosti genotipa, kao rezultat interakcije s razvojnim uvjetima, da da određeni fenotip.

Budući da varijabilnost modifikacije nije povezana sa promjenama u genotipu, modifikacije se ne nasljeđuju. Obično je ovu poziciju iz nekog razloga teško prihvatiti. Čini se da ako, recimo, roditelji nekoliko generacija treniraju dizanje utega i imaju razvijene mišiće, onda se ta svojstva moraju prenijeti na djecu. U međuvremenu, ovo je tipična modifikacija, a trening je uticaj sredine koja je uticala na razvoj osobine. Tokom modifikacije ne dolazi do promjena u genotipu, a osobine stečene modifikacijom se ne nasljeđuju. Darwin je ovu vrstu varijacije nazvao - nenasljednom.

Za karakterizaciju granica varijabilnosti modifikacije koristi se koncept norme reakcije. Neke osobine kod čoveka ne mogu se promeniti usled uticaja okoline, kao što su krvna grupa, pol, boja očiju. Drugi su, naprotiv, veoma osetljivi na uticaje okoline. Na primjer, kao rezultat dužeg izlaganja suncu, boja kože postaje tamnija, a kosa posvjetljuje. Na težinu osobe snažno utiču prehrambene navike, bolest, prisustvo loših navika, stres, način života.

Utjecaji okoline mogu dovesti ne samo do kvantitativnih, već i do kvalitativnih promjena u fenotipu. Kod nekih vrsta jaglaca, pri niskim temperaturama zraka (15-20 C), pojavljuju se crveni cvjetovi, ali ako se biljke stave u vlažno okruženje s temperaturom od 30 ° C, tada se formiraju bijeli cvjetovi.

štaviše, iako brzina reakcije karakteriše nenasledni oblik varijabilnosti (modifikacione varijabilnosti), ona je takođe određena genotipom. Ova odredba je veoma važna: brzina reakcije zavisi od genotipa. Isti uticaj okoline na genotip može dovesti do snažne promene jedne od njegovih osobina, a ne uticati na drugu ni na koji način.

21. Gen je funkcionalna jedinica nasljeđa. Molekularna struktura gena u prokariota i eukariota. Jedinstveni geni i DNK ponavljanja. strukturni geni. Hipoteza "1 gen - 1 enzim", njeno savremeno tumačenje.

Gen je strukturna i funkcionalna jedinica nasljeđa koja kontrolira razvoj određene osobine ili svojstva. Skup gena koje roditelji prenose na potomstvo tokom reprodukcije. Termin gen skovao je 1909. danski botaničar Wilhelm Johansen. Nauka genetika bavi se proučavanjem gena, čiji je osnivač Gregor Mendel, koji je 1865. godine objavio rezultate svog istraživanja o prenošenju osobina nasljeđivanjem pri ukrštanju graška. Geni mogu biti podvrgnuti mutacijama - nasumičnim ili namjernim promjenama u slijedu nukleotida u lancu DNK. Mutacije mogu dovesti do promjene sekvence, a samim tim i do promjene bioloških karakteristika proteina ili RNK, što zauzvrat može rezultirati općim ili lokalnim izmijenjenim ili abnormalnim funkcioniranjem organizma. Takve su mutacije u nekim slučajevima patogene, jer su rezultat bolesti ili smrtonosne na embrionalnom nivou. Međutim, ne dovode sve promjene u nukleotidnoj sekvenci do promjene strukture proteina (zbog efekta degeneracije genetskog koda) ili do značajne promjene sekvence i nisu patogene. Posebno, ljudski genom karakteriziraju polimorfizmi jednog nukleotida i varijacije u broju kopija, kao što su delecije i duplikacije, koje čine oko 1% cjelokupne ljudske nukleotidne sekvence. Pojedinačni nukleotidni polimorfizmi, posebno, definiraju različite alele istog gena.

Kod ljudi, kao rezultat brisanja:

Wolfov sindrom - nedostaje dio velikog hromozoma 4,

Sindrom “mačjeg krika” - sa delecijom u hromozomu 5. Uzrok: gubitak hromozomske mutacije fragmenta hromozoma u 5. paru.

Manifestacija: abnormalni razvoj larinksa, mačji plač, ja u ranom djetinjstvu, zaostajanje u fizičkom i mentalnom razvoju.

Monomeri koji čine svaki od DNK lanaca su složena organska jedinjenja koja uključuju azotne baze: adenin (A) ili timin (T) ili citozin (C) ili guanin (G), pet-atomski šećer-pentoza-deoksiriboza, nazvan po čemu je i dobila ime sama DNK, kao i ostatak fosforne kiseline. Ova jedinjenja se nazivaju nukleotidi.

Kromosom bilo kojeg organizma, bilo bakterije ili čovjeka, sadrži dugi, kontinuirani lanac DNK. duž koje se nalaze mnogi geni. Različiti organizmi se dramatično razlikuju u količini DNK koja čini njihov genom. Kod virusa, ovisno o njihovoj veličini i složenosti, veličina genoma se kreće od nekoliko hiljada do stotina parova baza. Geni u tako jednostavno uređenim genomima nalaze se jedan za drugim i zauzimaju do 100% dužine odgovarajuće nukleinske kiseline (RNA i DNK). Za mnoge viruse ustanovljena je kompletna sekvenca nukleotida DNK. Bakterije imaju mnogo veći genom. U Escherichia coli, jedini lanac DNK - bakterijski hromozom sastoji se od 4,2x106 (6 stepeni) parova baza. Više od polovine ove količine čine strukturni geni, tj. gena koji kodiraju određene proteine. Ostatak bakterijskog hromozoma sastoji se od nukleotidnih sekvenci koje se ne mogu prepisati, čija funkcija nije sasvim jasna. Velika većina bakterijskih gena je jedinstvena; prisutan samo jednom u genomu. Izuzetak su transportni i ribosomalni RNA geni, koji se mogu ponoviti desetine puta.

Genom eukariota, posebno viših, mnogo je veći od genoma prokariota i doseže, kako je navedeno, stotine miliona i milijardi baznih parova. Broj strukturnih gena u ovom slučaju se ne povećava mnogo. Količina DNK u ljudskom genomu dovoljna je za formiranje približno 2 miliona strukturnih gena. Stvarni broj dostupnih procjenjuje se na 50-100 hiljada gena, tj. 20-40 puta manji od onoga što bi mogao biti kodiran genomom ove veličine. Stoga moramo konstatovati redundantnost eukariotskog genoma. Uzroci redundancije sada su uglavnom jasni: prvo, neki geni i nukleotidni nizovi se ponavljaju mnogo puta, drugo, postoji mnogo genetskih elemenata u genomu koji imaju regulatornu funkciju, i treće, dio DNK uopće ne sadrži gene .

Prema modernim konceptima, gen koji kodira sintezu određenog proteina kod eukariota sastoji se od nekoliko obaveznih elemenata. Prije svega, ovo je opsežna regulatorna zona koja ima snažan utjecaj na aktivnost gena u određenom tkivu tijela u određenoj fazi njegovog individualnog razvoja. Sljedeći je promotor koji je direktno u blizini kodirajućih elemenata gena - sekvenca DNK duga do 80-100 parova baza, odgovorna za vezivanje RNA polimeraze koja transkribuje ovaj gen. Nakon promotora nalazi se strukturni dio gena koji sadrži informacije o primarnoj strukturi odgovarajućeg proteina. Ovaj region za većinu eukariotskih gena je znatno kraći od regulatorne zone, ali se njegova dužina može mjeriti u hiljadama parova baza.

Važna karakteristika eukariotskih gena je njihov diskontinuitet. To znači da se region gena koji kodira protein sastoji od dva tipa nukleotidnih sekvenci. Neki - egzoni - su dijelovi DNK koji nose informacije o strukturi proteina i dio su odgovarajuće RNK i proteina. Drugi - introni - ne kodiraju strukturu proteina i nisu uključeni u sastav zrele mRNA molekule, iako su transkribovani. Proces izrezivanja introna - "nepotrebnih" sekcija molekule RNK i spajanja egzona tokom formiranja mRNA izvode se posebnim enzimima i naziva se Splicing (crosslinking, splicing).

Eukariotski genom karakteriziraju dvije glavne karakteristike:

1) Ponavljanje sekvenci

2) Razdvajanje po sastavu na različite fragmente koje karakteriše specifičan sadržaj nukleotida

Ponovljena DNK sastoji se od nukleotidnih sekvenci različitih dužina i sastava koji se pojavljuju nekoliko puta u genomu, bilo u tandem ponovljenom ili disperziranom obliku. DNK sekvence koje se ne ponavljaju nazivaju se jedinstvenom DNK. Veličina dijela genoma koji zauzimaju ponavljajuće sekvence uvelike varira između taksona. Kod kvasca dostiže 20%, a kod sisara se ponavlja do 60% sve DNK. Kod biljaka postotak ponovljenih sekvenci može premašiti 80%.

Po međusobnoj orijentaciji u strukturi DNK razlikuju se direktna, obrnuta, simetrična ponavljanja, palindromi, komplementarni palindromi itd. U veoma širokom rasponu variraju i dužina (u broju baza) elementarne ponavljajuće jedinice, i stepen njihovog ponavljanja i priroda distribucije u genomu. periodičnost ponavljanja DNK može imati vrlo složenu strukturu, kada se kratka ponavljanja uključuju u duža ili ih obrubljuju itd. Osim toga, za sekvence DNK mogu se uzeti u obzir zrcalne i obrnute ponavljanja. Ljudski genom je poznat 94% Na osnovu ovog materijala može se izvesti sljedeći zaključak - ponavljanja zauzimaju najmanje 50% genoma.

STRUKTURNI GENI - geni koji kodiraju ćelijske proteine ​​sa enzimskim ili strukturnim funkcijama. Oni također uključuju gene koji kodiraju strukturu rRNA i tRNA. Postoje geni koji sadrže informacije o strukturi polipeptidnog lanca, u konačnici - strukturnih proteina. Takve sekvence nukleotida dužine jedan gen nazivaju se strukturnim geni. Geni koji određuju mjesto, vrijeme, trajanje uključivanja strukturnih gena su regulatorni geni.

Geni su male veličine, iako se sastoje od hiljada parova baza. Prisustvo gena se utvrđuje ispoljavanjem osobine gena (konačnog proizvoda). Opću shemu strukture genetskog aparata i njegovog rada predložio je 1961. Jacob, Monod. Predložili su da postoji dio molekule DNK sa grupom strukturnih gena. U susjedstvu ove grupe nalazi se mjesto od 200 bp, promotor (mjesto spajanja DNK zavisne RNA polimeraze). Operaterski gen graniči sa ovom lokacijom. Ime celog sistema je operon. Regulaciju provodi regulatorni gen. Kao rezultat toga, protein represor stupa u interakciju s operatorskim genom, a operon počinje raditi. Supstrat je u interakciji sa regulatorima gena, operon je blokiran. Princip povratne sprege. Izraz operona je uključen u cjelini. 1940 - Beadle i Tatum predložili su hipotezu: 1 gen - 1 enzim. Ova hipoteza je odigrala važnu ulogu - naučnici su počeli da razmatraju konačne proizvode. Ispostavilo se da hipoteza ima ograničenja, jer Svi enzimi su proteini, ali nisu svi proteini enzimi. Proteini su po pravilu oligomeri – tj. postoje u kvartarnoj strukturi. Na primjer, kapsula mozaika duhana ima preko 1200 polipeptida. Kod eukariota ekspresija (manifestacija) gena nije proučavana. Razlog su ozbiljne prepreke:

Organizacija genetskog materijala u obliku hromozoma

U višećelijskim organizmima ćelije su specijalizovane i zbog toga su neki od gena isključeni.

Prisustvo histonskih proteina, dok prokarioti imaju „golu“ DNK.

Histonski i nehistonski proteini su uključeni u ekspresiju gena i uključeni su u stvaranje strukture.

22. Klasifikacija gena: strukturni geni, regulatori. Osobine gena (diskretnost, stabilnost, labilnost, polialelizam, specifičnost, pleiotropija).

Diskretnost - nepomešljivost gena

Stabilnost - sposobnost održavanja strukture

Labilnost - sposobnost višekratne mutacije

Višestruki alelizam – mnogi geni postoje u populaciji u više molekularnih oblika

Alelizam - u genotipu diploidnih organizama samo dva oblika gena

Specifičnost - svaki gen kodira različitu osobinu

Pleiotropija - višestruki efekat gena

Ekspresivnost - stepen ekspresije gena u osobini

Penetranca - učestalost ekspresije gena u fenotipu

Amplifikacija je povećanje broja kopija gena.

23. Struktura gena. Regulacija ekspresije gena kod prokariota. Hipoteza operona.

Ekspresija gena je proces kojim se nasledna informacija iz gena (sekvenca nukleotida DNK) pretvara u funkcionalni proizvod - RNK ili protein. Ekspresija gena se može regulisati u svim fazama procesa: tokom transkripcije, tokom translacije i u fazi posttranslacionih modifikacija proteina.

Regulacija ekspresije gena omogućava stanicama da kontroliraju vlastitu strukturu i funkciju i osnova je diferencijacije, morfogeneze i adaptacije stanica. Ekspresija gena je supstrat za evolucijsku promjenu, budući da kontrola vremena, lokacije i količine ekspresije jednog gena može utjecati na funkciju drugih gena u cijelom organizmu. Kod prokariota i eukariota, geni su sekvence nukleotida DNK. Na matrici DNK dolazi do transkripcije - sinteze komplementarne RNK. Nadalje, translacija se događa na matriksu mRNA - sintetiziraju se proteini. Postoje geni koji kodiraju ne-mesenger RNK (npr. rRNA, tRNA, mala RNK) koji se eksprimiraju (transkribiraju), ali ne prevode u proteine.

Istraživanja na ćelijama E. coli omogućila su da se ustanovi da bakterije imaju 3 vrste enzima:

konstitutivni, prisutan u stanicama u konstantnim količinama, bez obzira na metaboličko stanje organizma (na primjer, enzimi glikolize)

inducirana, njihova koncentracija u normalnim uvjetima je niska, ali se može povećati za faktor od 100 ili više ako se, na primjer, supstrat takvog enzima doda mediju stanične kulture

potisnuti, tj. enzimi metaboličkih puteva, čija se sinteza zaustavlja kada se krajnji proizvod ovih puteva doda mediju za rast.

Na osnovu genetskih studija indukcije β-galaktozidaze, koja je uključena u ćelije E. coli, u hidrolitičkom cijepanju laktoze, Francois Jacob i Jacques Monod su 1961. godine formulirali hipotezu operona, koja je objasnila mehanizam kontrole sinteze proteina u prokarioti.

U eksperimentima je hipoteza operona u potpunosti potvrđena, a vrsta regulacije koja je u njoj predložena nazvana je kontrola sinteze proteina na nivou transkripcije, jer se u ovom slučaju promjena brzine sinteze proteina odvija zbog promjene u brzini transkripcije gena, tj. u fazi formiranja mRNA.

Kod E. coli, kao i kod drugih prokariota, DNK nije odvojena od citoplazme nuklearnom ovojnicom. Tokom transkripcije formiraju se primarni transkripti koji ne sadrže introne, a mRNA su lišene "kapa" i poli-A kraja. Sinteza proteina počinje prije nego što se završi sinteza njegovog šablona, ​​tj. transkripcija i prevođenje se dešavaju gotovo istovremeno. Na osnovu veličine genoma (4×106 baznih parova), svaka ćelija E. coli sadrži informacije o nekoliko hiljada proteina. Ali u normalnim uslovima rasta, sintetiše oko 600-800 različitih proteina, što znači da se mnogi geni ne transkribiraju; neaktivan. Proteinski geni, čije su funkcije u metaboličkim procesima usko povezane, često se grupišu u genomu u strukturne jedinice (operone). Prema teoriji Jacoba i Monoda, operoni su dijelovi molekule DNK koji sadrže informacije o grupi funkcionalno međusobno povezanih strukturnih proteina i regulatornoj zoni koja kontrolira transkripciju ovih gena. Strukturni geni operona su izraženi na koordiniran način, ili su svi transkribovani, u kom slučaju je operon aktivan, ili nijedan od gena nije "čitan", u kom slučaju je operon neaktivan. Kada je operon aktivan i svi njegovi geni su transkribovani, sintetiše se policistronska mRNA, koja služi kao šablon za sintezu svih proteina ovog operona. Transkripcija strukturnih gena zavisi od sposobnosti RNA polimeraze da se veže za promotor koji se nalazi na 5' kraju operona pre strukturnih gena.

Vezivanje RNA polimeraze za promotor zavisi od prisustva proteina represora u regionu pored promotora, koji se naziva "operator". Represorski protein se sintetiše u ćeliji konstantnom brzinom i ima afinitet prema mjestu operatera. Strukturno, regioni promotora i operatora se delimično preklapaju; stoga vezivanje proteina represora za operatera stvara steričku prepreku vezivanju RNA polimeraze.

Većina mehanizama regulacije sinteze proteina usmjerena je na promjenu brzine vezivanja RNK polimeraze za promotor, čime se utiče na fazu inicijacije transkripcije. Geni uključeni u sintezu regulatornih proteina mogu se ukloniti iz operona čiju transkripciju kontroliraju.

Pedesetih godina XX veka naučnici su se suočili sa čudnim fenomenom. Skrenuli su pažnju na činjenicu da neki virusi inficiraju različite sojeve istih bakterija na različite načine. Neki sojevi - na primjer, E. coli - su se lako inficirali i brzo su proširili infekciju po cijeloj koloniji. Drugi su se zarazili vrlo sporo ili su bili potpuno otporni na viruse. Ali nakon što se jednom prilagodio ovom ili onom soju, u budućnosti ga je virus zarazio bez poteškoća.

Biolozima je trebalo dvije decenije da otkriju ovu selektivnu otpornost bakterija. Kako se ispostavilo, sposobnost određenih sojeva bakterija da se odupru virusima - to je nazvano restrikcijom (tj. "ograničenjem") - posljedica je prisustva posebnih enzima u njima koji fizički režu virusnu DNK.

Posebnost ovih proteina - restrikcijskih enzima - je u tome što prepoznaju malu i strogo definiranu sekvencu DNK. Bakterije "ciljaju" restrikcijske enzime na rijetke sekvence koje same izbjegavaju u svojim genima - ali koje mogu biti prisutne u virusnoj DNK. Različiti restrikcijski enzimi prepoznaju različite sekvence.

Svaki soj bakterija ima specifičan arsenal takvih enzima i na taj način odgovara na određeni skup "riječi" u genomu virusa. Ako zamislimo da je genom virusa fraza "mama je oprala okvir", onda virus neće moći zaraziti bakteriju koja prepoznaje riječ "mama", ali bakterija koja cilja riječ "ujak" će biti bespomoćan. Ako virus uspije da mutira i pretvori se u, recimo, "ženu koja pere okvir", tada će i prva bakterija izgubiti zaštitu.

Zašto je otkriće „bakterijskog imuniteta“ na samom vrhu liste najvažnijih dostignuća molekularne biologije? Nisu u pitanju same bakterije, pa čak ni virusi.

Izmjerite dio DNK

Naučnici koji su opisali ovaj mehanizam gotovo su odmah skrenuli pažnju na najvažniji detalj ovog procesa. Restrikcioni enzimi (tačnije, jedan od tipova ovih enzima) su u stanju da preseku DNK na dobro definisanoj tački. Da se vratimo na našu analogiju, enzim koji cilja na riječ "majka" u DNK vezuje se za tu riječ i siječe je, na primjer, između trećeg i četvrtog slova.

Tako, po prvi put, istraživači imaju priliku da iz genoma "izrežu" DNK fragmente koji su im potrebni. Uz pomoć posebnih enzima za "ljepljenje", nastali fragmenti mogli bi se spojiti - također određenim redoslijedom. Sa otkrićem restrikcijskih enzima, naučnici su u svojim rukama imali sve potrebne alate za "sastavljanje" DNK. Vremenom se za ovaj proces ukorijenila malo drugačija metafora - genetski inženjering.

Iako danas postoje druge metode rada s DNK, velika većina bioloških istraživanja u posljednjih dvadeset ili trideset godina ne bi bila moguća bez restrikcijskih enzima. Od transgenih biljaka do genske terapije, od rekombinantnog inzulina do induciranih matičnih ćelija, svaki rad koji uključuje genetsku manipulaciju koristi ovo "bakterijsko oružje".

Poznaj neprijatelja iz viđenja

Imuni sistem sisara – uključujući ljude – ima urođene i stečene odbrambene mehanizme. Urođene komponente imuniteta obično reaguju na nešto zajedničko što ujedinjuje mnoge neprijatelje tijela odjednom. Na primjer, urođeni imunitet može prepoznati komponente ćelijskog zida bakterije koje su iste za hiljade različitih mikroba.

Stečeni imunitet se oslanja na fenomen imunološkog pamćenja. Prepoznaje specifične komponente specifičnih patogena, "pamti" ih za budućnost. Vakcinacija se zasniva na tome: imuni sistem se „trenira“ na ubijeni virus ili bakteriju, a kasnije, kada živi patogen uđe u organizam, „prepoznaje“ ga i na licu mesta uništava.

Urođeni imunitet je granični prelaz. Štiti od svega odjednom i u isto vrijeme ni od čega posebno. Stečeni imunitet je snajperist koji poznaje neprijatelja iz viđenja. Kako se pokazalo 2012. godine, bakterije imaju nešto slično.

Ako je restrikcija bakterijski analog urođenog imuniteta, onda ulogu stečenog imuniteta kod bakterija obavlja sistem prilično glomaznog naziva CRISPR/Cas9, ili "Crisper".

Suština Crisperovog rada je sljedeća. Kada bakteriju napadne virus, ona kopira dio DNK virusa na posebno mjesto u svom genomu (ovo "skladište" informacija o virusima naziva se CRISPR). Na osnovu ovih sačuvanih "identičnih kompleta" virusa, bakterija zatim pravi RNA sondu sposobnu da prepozna virusne gene i da se veže za njih ako virus ponovo pokuša da inficira bakteriju.

Sama RNA sonda je bezopasna za virus, ali tu u igru ​​ulazi drugi igrač: protein Cas9. To je "makaze" odgovorne za uništavanje virusnih gena - poput restriktivnog enzima. Cas9 se hvata za RNA sondu i, kao na uzici, predaje se virusnoj DNK, nakon čega mu se daje signal: rezati ovdje!

Ukupno, cijeli sistem se sastoji od tri bakterijske komponente:

1) DNK skladištenje "identikit" starih virusa;

2) RNA sonda napravljena na osnovu ovih "identikit slika" i sposobna da identifikuje virus po njima;

3) proteinske "makaze" vezane za RNK sondu i seku virusnu DNK tačno na mestu sa koje je poslednji put uzet "identikit".

Gotovo odmah nakon otkrića ovog „bakterijskog imuniteta“, svi su zaboravili na bakterije i njihove viruse. Naučna literatura je eksplodirala od entuzijastičnih članaka o potencijalu CRISPR/Cas9 sistema kao alata za genetski inženjering i medicinu budućnosti.

Kao iu slučaju restrikcijskih enzima, Crisper sistem je u stanju da preseče DNK na strogo definisanoj tački. Ali u poređenju sa "makazama" otkrivenim sedamdesetih, ima ogromne prednosti.

Restrikcione enzime koriste biolozi za “montažu” DNK isključivo u epruvetu: prvo morate napraviti željeni fragment (na primjer, modificirani gen), a tek onda ga uvesti u ćeliju ili organizam. "Crisper" može preseći DNK na licu mesta, pravo u živoj ćeliji. Ovo omogućava ne samo proizvodnju umjetno unesenih gena, već i "uređivanje" cijelih genoma: na primjer, uklanjanje nekih gena i umetanje novih umjesto njih. Do nedavno se o tako nešto moglo samo sanjati.

Kao što je postalo jasno tokom prošle godine, CRISPR sistem je nepretenciozan i može raditi u bilo kojoj ćeliji: ne samo bakterijskoj, već i mišjoj ili ljudskoj. "Instalirati" ga u željenu ćeliju je prilično jednostavno. U principu, to se može učiniti čak i na nivou čitavih tkiva i organizama. U budućnosti, to će omogućiti potpuno uklanjanje defektnih gena - na primjer, onih koji uzrokuju rak - iz genoma odraslog čovjeka.

Recimo da fraza "mama je oprala okvir" prisutna u vašem genomu izaziva bolnu žudnju za rodnim stereotipima. Da biste se riješili ovog problema, potreban vam je protein Cas9 - uvijek isti - i par RNK sondi usmjerenih na riječi "mama" i "frame". Ove sonde mogu biti bilo koje - moderne metode omogućavaju njihovu sintetizaciju za nekoliko sati. Uopšte nema ograničenja u pogledu broja: genom možete "isjeći" barem na hiljadu tačaka u isto vrijeme.

Ciljanje na tijelo

Ali Crisperova vrijednost ide dalje od funkcije škare. Kako napominju mnogi autori, ovaj sistem je prvi nama poznat alat pomoću kojeg je moguće istovremeno organizirati "susret" određenog proteina, određene RNK i određene DNK. To samo po sebi otvara ogromne mogućnosti za nauku i medicinu.

Na primjer, proteinu Cas9 može se isključiti funkcija "makaze" i umjesto toga vezati se za drugi protein - recimo, genski aktivator. Uz odgovarajuću RNA sondu, rezultirajući par se može poslati na pravo mjesto u genomu: na primjer, na inzulinski gen koji loše funkcionira kod nekih dijabetičara. Organizovanjem susreta aktivirajućeg proteina i gena invalida na ovaj način moguće je precizno i ​​fino podesiti funkcionisanje organizma.

Možete vezati ne samo aktivatore, već bilo šta općenito - recimo, protein koji može zamijeniti defektni gen njegovom "rezervnom kopijom" iz drugog kromosoma. Tako će u budućnosti biti moguće izliječiti, na primjer, Huntingtonovu bolest. Glavna prednost CRISPR sistema u ovom slučaju je upravo njegova sposobnost da “pošalje ekspedicije” u bilo koju tačku u DNK koju možemo programirati bez većih poteškoća. Koji je zadatak svake pojedine ekspedicije - određuje samo mašta istraživača.

Danas je teško reći kakve probleme će CRISPR/Cas9 sistem moći riješiti za nekoliko decenija. Globalna zajednica genetičara sada podsjeća na dijete koje je pušteno u ogromnu salu punu igračaka. Vodeći naučni časopis Science nedavno je objavio pregled najnovijih dostignuća u ovoj oblasti pod nazivom "The CRISPR Craze" - "Crisper Madness". Pa ipak, već sada je očigledno: bakterije i fundamentalna nauka su nam još jednom dale tehnologiju koja će promijeniti svijet.

U januaru su se pojavili izvještaji o rođenju prvih primata čiji je genom uspješno modificiran pomoću CRISPR/Cas9 sistema. Kao probni eksperiment, majmunima su uvedene mutacije u dva gena: jedan je povezan sa imunološkim sistemom, a drugi odgovoran za taloženje masti, što neprozirno nagovještava moguću primjenu metode na homo sapiensa. Možda rješenje problema gojaznosti genetskim inženjeringom nije tako daleka budućnost.

Promjena ljudske DNK koja se prenosi budućim generacijama dugo se smatrala etički zatvorenom i zabranjenom u mnogim zemljama. Naučnici izvještavaju da koriste nove alate za popravku gena bolesti u ljudskim embrionima. Iako istraživači koriste defektne embrije i nemaju namjeru da ih implantiraju u matericu žene, posao je zabrinjavajući.

Promjena u DNK ljudskih jajnih stanica, sperme ili embrija poznata je kao promjena zametne linije. Mnogi naučnici pozivaju na moratorij na reviziju kliničkih embriona, uređivanje ljudske zametne linije, a mnogi smatraju da ovu vrstu naučne aktivnosti treba zabraniti.

Međutim, uređivanje DNK ljudskog embrija može biti etički prihvatljivo za prevenciju bolesti kod djeteta, ali samo u rijetkim slučajevima i uz garancije. Ove situacije mogu biti ograničene na parove u kojima oboje imaju ozbiljne genetske bolesti i za koje je uređivanje embriona zaista posljednja razumna opcija ako žele imati zdravu bebu.

Opasnost od namjerne promjene gena

Naučnici vjeruju da bi uređivanje ljudskog embrija moglo biti prihvatljivo kako bi se spriječilo da dijete naslijedi ozbiljne genetske bolesti, ali samo ako su ispunjeni određeni sigurnosni i etički kriteriji. Na primjer, par ne može imati "razumne alternative" kao što je mogućnost odabira zdravih embrija za vantjelesnu oplodnju (IVF) ili putem prenatalnog testiranja i pobačaja fetusa sa bolešću. Druga situacija koja može zadovoljiti kriterije je ako oba roditelja imaju isto zdravstveno stanje, kao što je cistična fibroza.

Naučnici upozoravaju na potrebu za striktnim državnim nadzorom kako bi se spriječilo da se uređivanje zametne linije koristi u druge svrhe, kao što je davanje djetetu poželjnih, karakterističnih osobina.

Uređivanjem gena u ćelijama pacijenata koji nisu naslijeđeni, već su u toku klinička ispitivanja za borbu protiv HIV-a, hemofilije i leukemije. Smatra se da su postojeći regulatorni sistemi za gensku terapiju dovoljni za obavljanje takvog posla.

Uređivanje genoma ne bi trebalo da služi za povećanje potencije, povećanje mišićne snage kod zdrave osobe ili smanjenje nivoa holesterola.

Uređivanje gena ljudske zametne linije ili modifikacija ljudske zametne linije znači namjernu modifikaciju gena koja se prenosi na djecu i buduće generacije.

Drugim riječima, stvaranje genetski modifikovanih ljudi. Modifikacija ljudske zametne linije se godinama smatra tabu temom zbog sigurnosnih i društvenih razloga. Zvanično je zabranjen u više od 40 zemalja.

Eksperimenti na stvaranju genetski modifikovanih ljudi i nauka eugenika

Međutim, posljednjih godina, nove metode genetskog inženjeringa korištene su za eksperimentiranje s ljudskim embrionima. Za istraživanje su korišteni geni i ljudski embriji povezani s beta krvnom bolešću – talasemijom. Eksperimenti su uglavnom bili neuspješni. Ali alati za uređivanje gena se razvijaju u laboratorijama širom svijeta i očekuje se da će olakšati, pojeftiniti i preciznije uređivati ​​ili brisati gene nego ikada prije. Moderne, ali teorijske metode uređivanja genoma omogućit će naučnicima da umetnu, obrišu i podese DNK sa pozitivnim rezultatima. Ovo obećava liječenje određenih bolesti, kao što su bolest srpastih stanica, cistična fibroza i određene vrste raka.

Selekcija u odnosu na ljude - eugenika

Uređivanje gena ljudskih embrija ili pravac eugenike dovodi do stvaranja genetski modificiranih vrlo različitih ljudi. Ovo uzrokuje ozbiljnu sigurnost zbog društvenih i etičkih pitanja. Oni se kreću od mogućnosti nepovratne štete po zdravlje buduće djece i generacija, do otvaranja vrata novim oblicima društvene nejednakosti, diskriminacije i sukoba i novoj eri eugenike.

Nauka eugenike za ljudsku selekciju nastala je sredinom prošlog veka kao nauka nacističkog pravca.

Naučnicima nije dozvoljeno da vrše promene u ljudskoj DNK, koja se prenosi na sledeće generacije. Ovakav inovativni korak u nauci eugenike trebalo bi razmotriti tek nakon dodatnih istraživanja, nakon čega se mogu izvršiti promjene pod strogim ograničenjima. Takav rad treba zabraniti kako bi se spriječila teška bolest i invaliditet.

Varijacije uzrokovane promjenom gena nazivaju se i mutacije.

Dugi je tabu protiv unošenja promjena u genima ljudske sperme, jajašca ili embrija, jer će takve promjene naslijediti buduće generacije. Ovo je tabu dijelom zbog straha da bi greške mogle nehotice stvoriti nove umjetne bolesti koje bi tada mogle postati stalni dio ljudskog genskog fonda.

Drugi problem je što se ova vrsta može koristiti za genetsku modifikaciju u nemedicinske svrhe. Na primjer, naučnici bi teoretski mogli pokušati stvoriti dječji konstruktor u kojem roditelji pokušavaju odabrati osobine svoje djece kako bi ih učinili pametnijim, višim, boljim sportistima ili sa drugim navodno potrebnim atributima.

Ništa slično ovome trenutno nije moguće. Ali čak i perspektiva izaziva strahove naučnika da će značajno promijeniti tok evolucije i stvaranje ljudi koji se smatraju genetski poboljšanim, da dođu do kakvih distopija budućnosti, opisanih u filmovima i knjigama.

Svaki pokušaj stvaranja beba od sperme, jajašca ili embriona koji imaju svoj DNK i pokušaj uređivanja može se učiniti samo pod vrlo pažljivo kontroliranim uvjetima i samo da bi se spriječila razorna bolest.

Može biti teško dalje razlikovati korištenje uređivanja gena za prevenciju ili liječenje bolesti i korištenje za poboljšanje sposobnosti osobe.

Na primjer, ako naučnici uspiju otkriti da promjene gena povećavaju mentalne sposobnosti u borbi protiv demencije kod Alchajmerove bolesti, onda se to može smatrati preventivnom medicinom. Ako jednostavno radikalno poboljšate pamćenje zdrave osobe, onda ovo više nije medicinski smjer.

Kada je dozvoljena promjena DNK

Sposobnost uređivanja gena može se koristiti za liječenje mnogih bolesti i možda čak spriječiti pojavu mnogih razornih poremećaja u prvom redu uređivanjem genetskih mutacija u spermi, jajnoj stanici i embrionu. Neke potencijalne promjene mogle bi spriječiti širok spektar bolesti, uključujući rak dojke, Tay-Sachsovu bolest, anemiju srpastih stanica, cističnu fibrozu i Huntingtonovu bolest.

Klinička ispitivanja za uređivanje gena bi trebala biti dopuštena ako:

• nema "razumne alternative" za prevenciju "ozbiljne bolesti"
• uvjerljivo je dokazano da geni, kada se uređuju, uklanjaju uzrok bolesti
• promjene su usmjerene samo na transformaciju takvih gena koji su povezani s uobičajenim zdravstvenim stanjem
• Obavljeno je dovoljno preliminarnih istraživanja o rizicima i potencijalnim zdravstvenim prednostima
• kontinuirani, rigorozni nadzor radi proučavanja uticaja postupka na zdravlje i sigurnost učesnika, te dugoročni sveobuhvatni planovi
• postoji maksimalna transparentnost u skladu s povjerljivošću pacijenata i ponovna procjena zdravstvenih, društvenih koristi i rizika je u toku
• postoje snažni mehanizmi nadzora kako bi se spriječilo širenje ozbiljne bolesti ili stanja.

Zagovornici uređivanja ljudskih zametnih linija tvrde da bi to potencijalno moglo smanjiti, ili čak eliminirati, pojavu mnogih ozbiljnih genetskih bolesti koje bi smanjile ljudsku patnju širom svijeta. Protivnici kažu da je mijenjanje ljudskih embriona opasno i neprirodno, te da ne uzima u obzir pristanak budućih generacija.

Diskusija o promjeni ljudskog embriona

Počnimo s prigovorom da je mijenjanje fetusa neprirodno ili igranje protiv Boga.

Ovaj argument se zasniva na premisi da je prirodno dobro.

Ali bolesti su prirodne i milioni ljudi obolevaju i umiru prerano - sve sasvim prirodno. Kad bismo samo štitili prirodna bića i prirodne pojave, ne bismo mogli koristiti antibiotike za ubijanje bakterija ili na drugi način prakticirati lijekove ili se boriti protiv suše, gladi, kuge. Zdravstveni sistem se održava u svakoj razvijenoj zemlji i s pravom se može opisati kao dio sveobuhvatnog pokušaja da se osujeti tok prirode. Što naravno nije ni dobro ni loše. Prirodne supstance ili prirodni tretmani su bolji, ako su, naravno, mogući.

Vodi do važnog trenutka u istoriji medicine i uređivanja genoma i predstavlja obećavajuće naučne poduhvate za dobrobit čitavog čovečanstva.

Ometanje ljudskog genoma dozvoljeno je samo u profilaktičke, dijagnostičke ili terapeutske svrhe i bez modifikacije za potomstvo.

Brzi napredak na polju genetike, takozvanih "dizajnerskih beba" povećava potrebu za bioetikom za širu javnost i debatu o moći nauke. Nauka je u stanju genetski modificirati ljudske embrije u laboratoriji kako bi kontrolirala naslijeđene osobine kao što su izgled i inteligencija.

Do sada su mnoge zemlje potpisale međunarodnu konvenciju koja zabranjuje ovu vrstu uređivanja gena i modifikacije DNK.

mutacija ( lat. mutatio - promjena) - uporna transformacija genotipa koja se javlja pod utjecajem vanjskog ili unutrašnjeg okruženja.

Genomske mutacije - to su mutacije koje rezultiraju dodavanjem ili gubitkom jednog, nekoliko ili kompletnog haploidnog seta hromozoma. Različite vrste genomskih mutacija nazivaju se heteroploidija i poliploidija.

poliploidija– višestruke promjene (više puta, na primjer, 12 → 24). Ne javlja se kod životinja, u biljkama dovodi do povećanja veličine.

Aneuploidija- promjene na jednom ili dva hromozoma. Na primjer, jedan dodatni dvadeset i prvi kromosom dovodi do Downovog sindroma (dok je ukupan broj hromozoma 47)

26. Promjena u broju i redoslijedu gena (hromozomski preuređenje)

Hromozomski preustroj(nazivaju se i aberacije) nastaju u slučaju prekida dva ili više hromozoma.

· brisanje, ili nedostatak. Izgubljeni dio hromozoma.

· umnožavanje, ili udvostručavanje. Jedan od dijelova hromozoma je predstavljen u hromozomskom skupu više puta.

· Inverzija nastaje kao rezultat dva prekida u jednom hromozomu, ali pod uslovom da se unutrašnji fragment hromozoma okrene za 180 stepeni, tj. njegov polaritet je obrnut.

Obrnuta regija hromozoma može, ali i ne mora uključivati ​​centromeru. U prvom slučaju, inverzija se zove pericentrično(tj. pokriva centromere), a u drugom - paracentrično(blizu centromernog).

Translokacije . Ako su lomovi u dva hromozoma, tada je moguća razmjena fragmenata prilikom ponovnog ujedinjenja. Sa simetričnim spajanjem nastaju novi hromozomi u kojima je došlo do zamjene distalnih regija nehomolognih hromozoma. Takve translokacije se nazivaju recipročan.

Segment hromozoma takođe može da promeni svoju poziciju bez recipročne razmene, da ostane u istom hromozomu ili bude uključen u neki drugi. Takve nerecipročne translokacije se ponekad nazivaju transpozicije .

U slučaju spajanja dva akrocentrična hromozoma u području njihovih centromera uz gubitak kratkih krakova, uočava se centrična fuzija - Robertsonova translokacija.

27. Promjena pojedinačnih gena (genska mutacija)

Mutacije(od lat. mutatio - promjena) je promjena gena i hromozoma, koja se fenotipski manifestuje u promjeni svojstava i karakteristika organizama.

Genske (tačkaste) mutacije- to su promjene u broju i/ili sekvenci nukleotida u strukturi DNK (insercije, delecije, pomjeranja, supstitucije nukleotida) unutar pojedinih gena, koje dovode do promjene količine ili kvaliteta odgovarajućih proteinskih proizvoda.

Prijenos mutacije gena.

Javlja se prema uobičajenim zakonima naslijeđa. Rizik za potomstvo je manje-više veliki, zavisno od toga da li je „bolesni“ gen dominantan ili recesivan i gde se nalazi – na normalnom hromozomu ili na polnom hromozomu. Samo imajte na umu da ako je gen recesivan, osoba ga može prenijeti na svoje potomstvo.

Tipičan primjer je hemofilija - bolest krvi (kršenje njene koagulabilnosti). Ova bolest se razlikuje po tome što je prenose samo žene, ali izaziva smetnje samo kod muškaraca; drugim riječima, žena koja je spolja zdrava može suprotstaviti ovu bolest nekom od svojih sinova.