Ожидание рождения ребенка - самое прекрасное время для родителей, но также и самое страшное. Многие волнуются, что малыш может родиться с какими-либо недостатками, физическими или умственными отклонениями.
Наука не стоит на месте, есть возможность проверить на маленьких сроках беременности малыша на наличие отклонений в развитии. Практически все эти анализы могут показать, все ли нормально с ребенком.
Почему так происходит, что у одних и тех же родителей могут появиться на свет абсолютно разные дети - здоровый ребенок и ребенок с отклонениями? Это определяют гены. В рождении недоразвитого малыша или ребенка с физическими недостатками влияют генные мутации, связанные с изменением структуры ДНК. Поговорим об этом подробнее. Рассмотрим, как это происходит, какие генные мутации бывают, и их причины.
Что такое мутации?
Мутации - это физиологическое и биологическое изменение клеток в структуре ДНК. Причиной может стать облучение (при беременности нельзя делать снимки рентгеновские, на наличие травм и переломов), ультрафиолетовые лучи (долгое нахождение на солнце во время беременности или нахождение в комнате с включенными лампами ультрафиолетового света). Также такие мутации могут передаться и по наследству от предков. Все они распределяются на типы.
Генные мутации с изменением структуры хромосом или их количества
Это мутации, при которых строение и число хромосом изменены. Хромосомные участки могут выпадать или удваиваться, перемещаться в зону негомологическую, поворачиваться от нормы на сто восемьдесят градусов.
Причины появления такой мутации - это нарушение при кроссенговере.
Генные мутации связаны с изменением структуры хромосом или их количества, являются причиной серьезных расстройств и болезней у малыша. Такие заболевания неизлечимы.
Виды хромосомных мутаций
Всего различаются два вида основных хромосомных мутаций: численные и структурные. Анэуплоидии - это виды по количеству хромосом, то есть когда генные мутации связаны с изменением числа хромосом. Это возникновение дополнительной или нескольких последних, потеря какой-либо из них.
Генные мутации связаны с изменением структуры в том случае, когда хромосомы разрываются, а в дальнейшем воссоединяются, нарушив нормальную конфигурацию.
Виды численных хромосом
По числу хромосом мутации разделяют на анэуплоидии, то есть виды. Рассмотрим основные, выясним разницу.
- трисомии
Трисомия - это возникновение в кариотипе лишней хромосомы. Самое распространенное явление - это появление двадцать первой хромосомы. Она становится причиной синдрома Дауна, или, как еще называют это заболевание - трисомия двадцать первой хромосомы.
Синдром Патау выявляется по тринадцатой, а по восемнадцатой хромосоме диагностируют Это все аутосомные трисомии. Прочие трисомии не являются жизнеспособными, они погибают в утробе и теряются при самопроизвольных абортах. Те индивидуумы, у которых возникают дополнительные половые хромосомы (X, Y), - жизнеспособны. Клиническое проявление таких мутаций весьма незначительно.
Генные мутации, связанные с изменением числа, возникают по определенным причинам. Трисомии чаще всего могут возникнуть при расхождении в анафазе (мейоз 1). Результатом такого расхождения является то, что обе хромосомы попадают только в одну из двух дочерних клеток, вторая остается пустой.
Реже может возникнуть нерасхождение хромосом. Это явление называют нарушением в расхождении сестринских хроматид. Возникает в мейозе 2. Это именно тот случай, когда две совершенно одинаковые хромосомы селятся в одной гамете, вызывая трисомную зиготу. Нерасхождение происходит в ранние стадии процесса дробления яйцеклетки, которая была оплодотворена. Таким образом, возникает клон клеток-мутантов, который может охватить большую или меньшую часть тканей. Иногда проявляется клинически.
Многие связывают двадцать первую хромосому с возрастом беременной женщины, но этот фактор до сегодняшнего дня не имеет однозначного подтверждения. Причины, по которым не расходятся хромосомы, остаются неизвестными.
- моносомии
Моносомией называют отсутствие любой из аутосом. Если такое происходит, то в большинстве случаев плод невозможно выносить, случаются преждевременные роды на ранних сроках. Исключение - моносомия по причине двадцать первой хромосомы. Причиной, по которой возникает моносомия, может стать и нерасхождение хромосом, и потеря хромосомы во время ее пути в анафазе к клетке.
По половым хромосомам моносомия приводит к образованию плода, у которого кариотип ХО. Клиническое проявление такого кариотипа - синдром Тернера. В восьмидесяти процентах случаев из ста появление моносомии по Х-хромосоме происходит из-за нарушения мейоза папы ребенка. Это связано с нерасхождением Х и Y хромосом. В основном плод с кариотипом ХО погибает в утробе матери.
По половым хромосомам трисомия разделяется на три вида: 47 XXY, 47 XXX, 47 XYY. является трисомией 47 XXY. С таким кариотипом шансы выносить ребенка делятся пятьдесят на пятьдесят. Причиной такого синдрома может стать нерасхождение хромосом Х или нерасхождение Х и Y сперматогенеза. Второй и третий кариотипы могут возникнуть только у одной из тысячи беременных женщин, они практически не проявляются и в большинстве случаев обнаруживаются специалистами совершенно случайно.
- полиплоидия
Это генные мутации, связанные с изменением гаплоидного набора хромосом. Эти наборы могут быть утроенными и учетверенными. Триплоидия чаще всего диагностируется уже только тогда, когда произошел спонтанный аборт. Было несколько случаев, когда матери удавалось выносить такого малыша, но все они погибали, не достигнув и месячного возраста. Механизмы генных мутаций в случае триплодии обуславливают полным расхождением и нерасхождением всех хромосомных наборов либо женских, либо мужских половых клеток. Также механизмом может послужить двойное оплодотворение одной яйцеклетки. В этом случае происходит перерождение плаценты. Такое перерождение называют пузырным заносом. Как правило, такие изменения ведут к развитию у малыша умственных и физиологических нарушений, прерыванию беременности.
Какие генные мутации связаны с изменением структуры хромосом
Структурные изменения хромосом являются следствием разрыва (разрушения) хромосомы. В результате эти хромосомы соединяются, нарушив прежний свой вид. Эти видоизменения могут быть несбалансированными и сбалансированными. Сбалансированные не имеют излишка или недостатка материала, поэтому не проявляются. Проявиться они могут только в тех случаях, если на месте разрушения хромосомы был ген, который является функционально важным. У сбалансированного набора могут появиться гаметы несбалансированные. В следствии оплодотворение яйцеклетки такой гаметой может стать причиной появления плода с несбалансированным хромосомным набором. При таком наборе у плода возникает целый ряд пороков развития, появляются тяжелые виды патологии.
Типы структурных видоизменений
Генные мутации происходят на уровне образования гаметы. Предотвратить этот процесс нельзя, равно как нельзя заведомо узнать, могут произойти. Структурных видоизменений есть несколько видов.
- делеции
Это изменение связано с потерей части хромосомы. После такого разрыва хромосома становится более короткой, а ее оторванная часть теряется при дальнейшем делении клетки. Интерстициальные делеции - это тот случай, когда одна хромосома разрывается сразу в нескольких местах. Такие хромосомы обычно создают нежизнеспособный плод. Но есть и случаи, когда малыши выживали, но у них из-за такого набора хромосом был синдром Вольфа-Хиршхорна, "кошачий крик".
- дупликации
Эти генные мутации происходят на уровне организации сдвоенных участков ДНК. В основном дупликация не может стать причиной таких патологий, которые вызывают делеции.
- транслокации
Транслокация возникает из-за переноса генетического материала с одной хромосомы на другие. Если же происходит разрыв одновременно в нескольких хромосомах и они обмениваются сегментами, то это становится причиной возникновения реципроктной транслокации. Кариотип такой транслокации имеет всего сорок шесть хромосом. Сама же транслокация выявляется только при детальном анализе и изучении хромосомы.
Изменение последовательности нуклеотидов
Генные мутации связаны с изменением последовательности нуклеотидов, когда выражаются в видоизменении структур некоторых участков ДНК. По последствиям такие мутации делятся на два типа - без сдвига рамки считывания и со сдвигом. Чтобы точно знать причины изменения участков ДНК, нужно рассмотреть каждый тип отдельно.
Мутация без сдвига рамки
Эти генные мутации связаны с изменением и заменой нуклеотидных пар в структуре ДНК. При таких заменах не теряется длина ДНК, но возможна потеря и замена аминокислот. Есть вероятность того, что структура белка сохранится, этим послужит Рассмотрим детально оба варианта развития: с заменой и без замены аминокислот.
Мутация с заменой аминокислот
Замена остатка аминокислоты в составе полипептидов называют миссенс-мутациями. В гемоглобиновой молекуле человека есть четыре цепи - две "а" (она размещена в шестнадцатой хромосоме) и две "b" (кодировка в одиннадцатой хромосоме). Если "b" - цепь нормальная, и в ее составе есть сто сорок шесть остатков аминокислот, а шестым является глутаминовая, то гемоглобин будет нормальным. В этом случае кислота глутаминовая должна быть закодирована триплетом ГАА. Если за счет мутации ГАА заменен на ГТА, то вместо глутаминовой кислоты в молекуле гемоглобина образуется валин. Таким образом, вместо нормального гемоглобина HbA появится другой гемоглобин HbS. Таким образом, замена одной аминокислоты и одного нуклеотида станет причиной серьезного тяжелого заболевания - анемии серповидноклеточной.
Эта болезнь проявляется тем, что эритроциты становятся по форме, как серп. В таком виде они не способны нормально доставлять кислород. Если на клеточном уровне гомозиготы имеют формулу HbS/HbS, то это ведет к смерти ребенка в самом раннем детстве. Если формула HbA/HbS, то эритроциты имеют слабую форму изменения. Такое слабое изменение имеет полезное качество - устойчивость организма к малярии. В тех странах, где есть опасность заразиться малярией такая же, как в Сибири простудой, это изменение несет полезное качество.
Мутация без замены аминокислот
Замены нуклеотидов без обмена аминокислотами называются сеймсенс-мутациями. Если в участке ДНК, кодирующем "b"- цепь произойдет замена ГАА на ГАГ, то из-за того, что окажется в избытке, замены глутаминовой кислоты не может произойти. Структура цепи не будет изменена, в эритроцитах не будет видоизменений.
Мутации со сдвигом рамки
Такие генные мутации связаны с изменением длины ДНК. Длина может стать меньше или больше, в зависимости от потери или прибавления нуклеотидных пар. Таким образом, будет изменена полностью вся структура белка.
Может произойти внутригенная супрессия. Это явление происходит, когда есть место двум мутациям, компенсирующим друг друга. Это момент присоединения нуклеотидной пары после того, как одна была утеряна, и наоборот.
Нонсенс-мутации
Это особая группа мутаций. Она происходит редко, в ее случае происходит появление стоп-кодонов. Это может случиться как при утрате пар нуклеотидов, так и при их присоединении. Когда появляются стоп-кодоны, синтез полипептидов полностью останавливается. Так могут образоваться нуль-аллели. Этому не будет соответствовать ни один из белков.
Есть такое понятие, как межгенная супрессия. Это такое явление, когда мутация одних генов подавляет мутации в других.
Выявляются ли изменения при беременности?
Генные мутации, связанные с изменением числа хромосом, в большинстве случаев можно определить. Чтобы узнать, есть ли у плода пороки в развитии и патологии, на первых неделях беременности (с десяти до тринадцати недель) назначают скрининг. Это ряд простых обследований: забор на анализы крови из пальца и вены, УЗИ. На ультразвуковом исследовании плод рассматривают в соответствии с параметрами всех конечностей, носа и головы. Эти параметры при сильном несоответствии нормам указывают на то, что у малыша есть пороки в развитии. Подтверждается или опровергается этот диагноз на основании результатов анализа крови.
Также под пристальным наблюдением медиков оказываются будущие мамы, у малышей которых могут возникнуть мутации на генном уровне, передающиеся по наследству. То есть это те женщины, в родне которых были случаи рождения ребенка с умственными или физическими отклонениями, выявленными синдромами Дауна, Патау и прочими генетическими заболеваниями.
Комбинативная изменчивость
Носит наследственный характер и обусловлена рекомбинацией генов в генотипе. Связана не с изменением генов, а с их сочетанием! Комбинации генов способствуют повышению выживаемости в изменяющихся условиях среды.
Случайное сочетание гамет при оплодотворении
Обмен участками гомологичных хромосом при кроссинговере в профазе мейоза 1
Независимое расхождение разных пар хромосом в анафазе мейоза 1, приводящее к образованию генетически разнообразных гамет
Мутационная изменчивость
Мутации - внезапные скачкообразные стойкие изменения генотипа, происходящие под влиянием факторов внешней или внутренней среды, передаются по наследству. На молекулярном уровне это изменение ДНК, сохраняющееся при репликации НК. Мутагенез - процесс образования мутации. Мутагенные факторы вызывают мутации, по своей природе могут быть
- физические мутагены: излучения а, в, гамма, УФ, температура, влажность,
- химические мутагены: органика и неорганика, наркотические вещества, продукты промышленной переработки природных соединений (уголь, нефть), синтетические вещества, ранее не встречавшиеся в природе (пестициды, инсектициды, гербециды), пищевые консерванты, лекарства. Обладают высокой проникающей способностью, вызывают генныне мутации и действуют в период репликации ДНК.
Классификация мутаций по условиям возникновения
Спонтанные возникают без видимых причин, или причины неизвестны.
Индуцированные возникают в результате воздействия.
Классификация мутаций по локализации в клетке
Ядерные – мутации в ядре клетки
Цитоплазматические - мутации в митохондриях и пластидах.
Классификация мутаций по возможности наследования
Генеративные возникают в половых клетках, передаются по наследству при половом размножении
Соматические возникают в соматических клетках, передаются по наследству при вегетативном размножении
Классификация мутаций по степени влияния на жизнь способность и плодовитость
Стерильные влияют на плодовитость
Летальные приводят к смерти
Полулетальные снижают жизнеспособность
Нейтральные не влияют на жизнеспособность
Положительные повышают жизнеспособность
Классификация по уровню поражения генетического материала:
Генные – изменение гена
Хромосомные – изменение строения хромосомы,
Геномные – изменение генома
Генные мутации
Точковые, приводят к изменению нуклеотидной структуры ДНК в гене. Изменение структуры генов при замене оснований бывет 2 типов: миссенс мутации с заменой аминокислоты, нонсенс с образованием терминальных кодонов УАА, УАГ, УГА.
- сдвиг рамки считывания происходит в случае вставки или выпадения нескольких нуклеотидов. В результате изменяется разбиение мРНК на кодоны, а значит, меняется аминокислотная последовательность в синтезируемой молекуле белка или же синтез преждевременно заканчивается.
- транзиция - замена пуринового основания на другое пуриновое, а пиримидинового другим пиримидиновым: А <--> Г и Ц <--> Т.
- трансверзия - замена пуринового на пиримидиновое и наоборот.
Хромосомные мутации
Абберации – изменение структуры хромосом вследствие нарушения их целостности: разрывы, которые сопровождаются перестройками генов, приводят к внутри/меж хромосомным мутациям.
- делеция - утрата участка хромосомы: AEF. Делеция короткого плеча 5 ой хромосомы у человека - синдром кошачьего крика.
- дупликация - удвоение участка хромосомы: ABCDCD, с появлением дополнительного наследственного материала, идентичного тому, что уже есть в геноме.
Делеция и дупликация всегда проявляются фенотипически, поскольку изменяется набор генов и наблюдается моносомия по части хромосом.
- инверсия – поворот отдельных участков хромосомы на 180*. ABCDEF -----> AEDCBF
- транслокация – перенос отдельного участка хромосомы в другое место той же или иной хромосомы: ABCKLM. При этом число генов не изменяется !!! Перенос плеча 21 ой хромосомы на 13, 14, 15 приводит к развитию синдрома Дауна.
Инверсии и транслокации могут не проявляться фенотипически, если не происходит изменение генетического материала и сохраняется общий баланс генов в геноме. Зато затрудняется конъюгация гомологичных хромосом, что может служить причиной нарушения генетического материала между дочерними клетками
Геномные мутации
Связаны с изменением числа хромосом, приводят к добавлению или утрате одной, нескольких или полного набора хромосом.
Геном - совокупность генов гаплоидного набора хромосом. Как правило, находится в половых клетках.
- полиплоидия - кратное гаплоидному увеличение числа хромосом в клетках. Часто используется в селекции растений, как правило, приводит к увеличению урожайности. Часто встречается среди покрытосеменных растений, реже - среди голосеменных. Среди животных полиплоидия известна у гермафродитов: червей, ракообразных, насекомых, рыб, саламандр. Для млекопитающих полиплоидия летальна.
- гаплоидия - кратное гаплоидному уменьшение числа хромосом. В результате в клетке присутствует одинарный набор хромосом n. Организм с гаплоидным набором негомологичных хромосом в соматических клетках - гаплоид. Естественная гаплоидия встречается в жизненном цикле спорообразующих грибов, бактерий, одноклеточных водорослей, у трутней пчел. Жизнеспособность гаплоидов снижается, тк проявляются все рецессивные гены, содержащиеся в единственном числе. Для млекопитающих гаплоидия летальна.
- анеуплоидия - некратное изменение числа хромосом.
Трисомия – увеличение кариотипа на одну хромосому (2n+1).
Полисомия – увеличение кариотипа больше чем на одну хромосому.
Моносомия – уменьшение кариотипа на одну хромосому (2n-1).
Нулисомия – отсутствие пары хромосом, летальна.
Хромосомные болезни человека
Группы заболеваний, связанные с изменением числа хромосом (геномные мутации) или их структурой (хромосомные абберации). Они возникают в результате нарушения хромосомного набора в зиготе из-за нерасхождения хромосом при редукционном делении, и различных хромосомных аббераций.
триплоидия - нарушение хромосомного набора 3n. Новорожденные дети погибают в первые часы или дни после рождения.
трисомия по Х-хромосоме - ХХХ. Фенотип нормальный женский, характерно недоразвитие половых желез, небольшая степень умственной отсталости.
Синдром Клайнфельтера - ХХУ, ХХХУ, ХХХХУ, ХУУ, ХУУУ, ХХУУ, ХХХУУ. Фенотип мужской - недоразвитые семенники. Во внешнем облике присутствуют свойственные женщинам узкие плечи, широкий таз, геникомастия, отложение жира по жентипу. Полисомия по У-хромосоме дает высокий рост, антиобщественное поведение.
Синдром Шерешевского-Тернера : нарушение хромосомного набора Х0, единственная жизнеспособная моносомия по Х-хромосоме у человека. Фенотип женский, строение тела непропорциональное, кожные складки на шее, задержка роста, недоразвитые внутренние половые органы, бесплодие, преждевременное старение.
Синдром Дауна : трисомия по 21 ой хромосоме. Низкий рост, маленькая круглая голова, плоский затылок, низко посаженные уши, косой разрез глаз, короткий нос с плоской переносицей, полуоткрытый рот, толстый язык, низкий мышечный тонус, укороченные пальцы, кривые мизинцы, вялые и неуклюжие люди. Резко выраженная умственная отсталость, плохо развитая речь, сниженный иммунитет и продолжительность жизни.
Синдром Патау : трисомия по 13 ой хромосоме. Глубокие идиоты. Недоразвитая ЦНС, умеренная микроцефалия, помутнение роговицы, низкий лоб, запавшее переносье, узкие глазницы, двусторонняя расщелина верхней губы и неба, аномалии развития ОДС и внутренних органов. Умирают в возрасте до года, до 3 лет доживают единицы.
Синдром Эдвардса : трисомия по 18 ой хромосоме. Аномалии черепа и лица: узкий лоб с западением лобных костей в области родничка, широкий выступающий затылок, маленькая нижняя челюсть и ротовое отверстие, узкие и короткие глазные щели, низкое расположение ушей, грудина короткая, широкая грудная клетка, аномальное развитие стопы, патологии строения сердца и кровеносных сосудов, пищеварительной системы, мозжечка. Большинство умирает в возрасте до года.
Заполните заявку на подготовку к ЕГЭ по биологии или химии
Краткая форма обратной связи
Два года назад была изобретена технология изменения генома CRISPR/Cas9. В 2015 году она сделала настоящий переворот в генной инженерии. В основе технологии лежит молекулярный защитный механизм микроорганизмов, благодаря которому можно с повышенной точностью редактировать фрагменты ДНК и вырезать их. Причем делать это можно непосредственно в живых клетках любого организма!
Конечно, сегодня манипуляциями с генами никого не удивишь, однако работа с ними до этого выполнялась в специально оборудованных лабораториях при крупнейших институтах. Но технгология CRISPR/Cas9 может стать доступной каждому. Молекулярный биолог НАСА Джосиа Зайнер намерен разработать набор, который бы позволял проводить эксперименты с изменением генов в домашних условиях. Он позволит у себя на кухне изменять геном дрожжей и микроорганизмов.
Принцип действия технологии
Аббревиатуру CRISPR на русский язык дословно можно перевести как «кластерные регулярно разделяемые короткие палиндромические повторы», в первый раз они были найдены в генах архей и бактерий. Потом было обнаружено, что микроорганизмы, которым удалось пережить нападение вируса, прописывают в собственную ДНК участок гена недоброжелателя. Благодаря этому, сформированные организмом клетки смогут распознать подобный штамм. Если в «базе данных» генов имеются сведения врага, то при встрече с ним микроорганизмы используют специальный молекулярный механизм. Он присоединяется к ДНК вируса в том месте, которое соответствует сохраненному участку. Далее белки группы Cas применяются для разрезания ее и уничтожения вируса. Ученые определили, что подобные ножницы для разрезания молекул можно использовать для любого участка генетического кода млекопитающих, и человек не является исключением. С их помощью можно заменять либо, редактировать различные гены.
Интернет-магазин The ODIN начнет продавать наборы для редактирования генного кода
По мнению господина Зайнера, CRISPR/Cas9 должен стать общедоступным, возможность проводить эксперименты с этим методом должны получить даже начинающие исследователи и любители. С этой целью был разработан интернет-магазин The ODIN. Его цель – помочь в проведении домашних экспериментов с искусственно созданными бактериями. Сегодня компания Зайнера привлекает средства на краудфандинговой площадке Indiegogo, предлагая в качестве «вознаграждения» полноценные наборы и реактивы для редактирования генов.
Доступные наборы
Продаваемая продукция похожа на развивающие наборы для проведения химических опытов школьниками и студентами. За 75 долларов США здесь можно купить комплект, позволяющий добавлять в геном бактерий флуоресцентный белок, в результате чего они начинают светиться в темноте. Для создания генно модифицированного штамма бактерий, который бы смог выжить в экстремальных условиях, необходимо купить комплект за 130 долларов США. А вот набор за 160 американских долларов позволит вносить изменения в генный код дрожжей, добавляя в них красный пигмент.
Компания предлагает и более дорогостоящие наборы. Так, например, за 200 долларов можно получить комплект, который наделяет бактерии способностями удобрять почву и разрушать пластик. За 500 долларов можно купить набор для классной комнаты – клиент может указать вид комплектов, которые будут высланы в количестве 20 штук для группового использования. Инструменты из этого набора могут наделять бактерии свойством светиться в темноте или изменять цвет.
Комплект за 3000 долларов позволит создать настоящую домашнюю лабораторию для проведения опытов по молекулярной и синтетической биологии. В него входят: центрифуги, пипетки, реагенты, гель электрофореза, химические вещества и многое другое. Набор комплектуется позволяет использовать систему CRISPR для проведения различных исследований.
Самым невероятным является предложение за 5000$: авторы проекта обещают возможность создать новый уникальный живой организм. С его помощью можно выделять нужный признак дрожжей или бактерий и изменять его. Владелец такого комплекта может самостоятельно выводить генетически модифицированные организмы. Компания помогает определить параметры, которые содействуют достижению поставленных целей! Детальная инструкция, прилагающаяся к каждому набору, поможет проводить эксперименты без посторонней помощи, хотя автора с готовностью обещают провести консультацию в случае необходимости.
Планы на будущее
Технология CRISPR способна проводить изменения с генами человека. Однако Зайнер не планирует реализовывать наборы, которые бы помогали бороться с облысением либо наращивать дополнительную почку.
Чтобы добиться своей цели, на сайте Indiegogo Зайнером была начата краудфандинговая кампания. Посмотреть компанию можно . Благодаря нарастающему интересу к методу CRISPR, авторам компании удалось раньше установленного срока получить 10 000 долларов США, необходимые для создания портативных наборов. По мнению экспертов Инвестток.ру, до конца компании авторы проекта могут собрать в десять раз больше средств, чем планировали изначально, поскольку интерес аудитории к новой технологии огромен.
Генные мутации - изменение строения одного гена. Это изменение в последовательности нуклеотидов: выпадение, вставка, замена и т.п. Например, замена а на т. Причины - нарушения при удвоении (репликации) ДНК
Генные мутации представляют собой молекулярные, не видимые в световом микроскопе изменения структуры ДНК. К мутациям генов относятся любые изменения молекулярной структуры ДНК, независимо от их локализации и влияния на жизнеспособность. Некоторые мутации не оказывают никакого влияния на структуру и функцию соответствующего белка. Другая (большая) часть генных мутаций приводит к синтезу дефектного белка, не способного выполнять свойственную ему функцию. Именно генные мутации обусловливают развитие большинства наследственных форм патологии.
Наиболее частыми моногенными заболеваниями являются у человека являются: муковисцидоз, гемохроматоз, адрено-генитальный синдром, фенилкетонурия, нейрофиброматоз, миопатии Дюшенна-Беккера и ряд других заболеваний. Клинически они проявляются признаками нарушений обмена веществ (метаболизма) в организме. Мутация может заключаться:
1) в замене основания в кодоне, это так называемая миссенсмутация (от англ, mis - ложный, неправильный + лат. sensus - смысл) - замена нуклеотида в кодирующей части гена, приводящая к замене аминокислоты в полипептиде;
2) в таком изменении кодонов, которое приведет к остановке считывания информации, это так называемая нонсенсмутация (от лат. non - нет + sensus - смысл) — замена нуклеотида в кодирующей части гена, приводит к образованию кодона-терминатора (стоп-кодона) и прекращению трансляции;
3) нарушении считывания информации, сдвиге рамки считывания, называемом фреймшифтом (от англ. frame - рамка + shift: - сдвиг, перемещение), когда молекулярные изменения ДНК приводят к изменению триплетов в процессе трансляции полипептидной цепи.
Известны и другие типы генных мутаций. По типу молекулярных изменений выделяют:
делении (от лат. deletio - уничтожение), когда происходит утрата сегмента ДНК размером от одного нуклеотида до гена;
дупликации (от лат. duplicatio - удвоение), т.е. удвоение или повторное дублирование сегмента ДНК от одного нуклеотида до целых генов;
инверсии (от лат. inversio - перевертывание), т.е. поворот на 180° сегмента ДНК размерами от двух нукпеотидов до фрагмента, включающего несколько генов;
инсерции (от лат. insertio - прикрепление), т.е. вставка фрагментов ДНК размером от одного нуклеотида до целого гена.
Молекулярные изменения, затрагивающие от одного до нескольких нуклеотидов, рассматривают как точечную мутацию.
Принципиальным и отличительным для генной мутации является то, что она 1) приводит к изменению генетической информации, 2) может передаваться от поколения к поколению.
Определенная часть генных мутаций может быть отнесена к нейтральным мутациям, поскольку они не приводят к каким-либо изменениям фенотипа. Например, за счет вырожденности генетического кода одну и ту же аминокислоту могут кодировать два триплета, различающихся только по одному основанию. С другой стороны, один и тот же ген может изменяться (мутировать) в несколько различающихся состояний.
Например, ген, контролирующий группу крови системы АВ0. имеет три аллеля: 0, А и В, сочетания которых определяют 4 группы крови. Группа крови системы АВ0 является классическим примером генетической изменчивости нормальных признаков человека.
Именно генные мутации обусловливают развитие большинства Ласледственных форм патологии. Болезни, обусловленные подобными мутациями, называют генными, или моногенными, болезнями, Т. е. заболеваниями, развитие которых детерминируется мутацией одного гена.
Геномные и хромосомные мутации
Геномные и хромосомные мутации являются причинами возникновения хромосомных болезней. К геномным мутациям относятся анеуплоидии и изменение плоидности структурно неизмененных хромосом. Выявляются цитогенетическими методами.
Анеуплоидия — изменение (уменьшение — моносомия, увеличение — трисомия) числа хромосом в диплоидном наборе, некратное гаплоидному (2n + 1, 2n - 1 и т.д.).
Полиплоидия — увеличение числа наборов хромосом, кратное гаплоидному (3n, 4n, 5n и т.д.).
У человека полиплоидия, а также большинство анеуплоидии являются летальными мутациями.
К наиболее частым геномным мутациям относятся:
трисомия — наличие трех гомологичных хромосом в кариотипе (например, по 21-й паре, при синдроме Дауна, по 18-й паре при синдроме Эдвардса, по 13-й паре при синдроме Патау; по половым хромосомам: XXX, ХХY, ХYY);
моносомия - наличие только одной из двух гомологичных хромосом. При моносомии по любой из аутосом нормальное развитие эмбриона невозможно. Единственная моносомия у человека, совместимая с жизнью, - моносомия по Х-хромосоме - приводит (к синдрому Шерешевского-Тернера (45, Х0).
Причиной, приводящей к анеуплоидии, является нерасхождение хромосом во время клеточного деления при образовании половых клеток или утрата хромосом в результате анафазного отставания, когда во время движения к полюсу одна из гомологичных хромосом может отстать от всех других негомологичных хромосом. Термин «нерасхождение» означает отсутствие разделения хромосом или хроматид в мейозе или митозе. Утрата хромосом может приводить к мозаицизму, при котором имеется одна эуплоидная (нормальная) клеточная линия, а другая — моносомная .
Нерасхождение хромосом наиболее часто наблюдается во время мейоза. Хромосомы, которые в норме должны делиться во время мейоза, остаются соединенными вместе и в анафазе отходят к одному полюсу клетки. Таким образом, возникают две гаметы, одна из которых имеет добавочную хромосому, а другая не имеет этой хромосомы. При оплодотворении гаметы с нормальным набором хромосом гаметой с лишней хромосомой возникает трисомия (т. е. в клетке присутствует три гомологичные хромосомы), при оплодотворении гаметой без одной хромосомы возникает зигота с моносомией. Если моносомая зигота образуется по какой-либо аутосомной (не половой) хромосоме, то развитие организма прекращается на самых ранних стадиях развития.
Хромосомные мутации - это структурные изменения отдельных хромосом, как правило, видимые в световом микроскопе. В хромосомную мутацию вовлекается большое число (от десятков до нескольких сотен) генов, что приводит к изменению нормального диплоидного набора. Несмотря на то что хромосомные аберрации, как правило, не изменяют последовательность ДНК в специфических генах, изменение числа копий генов в геноме приводит к генетическому дисбалансу вследствие недостатка или избытка генетического материала. Различают две большие группы хромосомных мутаций: внутрихромосомные и межхромосомные.
Внутрихромосомные мутации — это аберрации в пределах одной хромосомы. К ним относятся:
— делеции (от лат. deletio — уничтожение) - утрата одного из участков хромосомы, внутреннего или терминального. Это может обусловить нарушение эмбриогенеза и формирование множественных аномалий развития (например, деления в регионе короткого плеча 5-й хромосомы, обозначаемая как 5р-, приводит к недоразвитию гортани, порокам сердца, отставанию умственного развития). Этот симптомокомплекс известен как синдром «кошачьего крика», поскольку у больных детей из-за аномалии гортани плач напоминает кошачье мяуканье;
— инверсии (от лат. inversio — перевертывание). В результате двух точек разрывов хромосомы образовавшийся фрагмент встраивается на прежнее место после поворота на 180°. В результате нарушается только порядок расположения генов;
— дупликации (от лат duplicatio — удвоение) — удвоение (или умножение) какого-либо участка хромосомы (например, трисомия по одному из коротких плеч 9-й хромосомы обуслошшвает множественные пороки, включая микроцефалию, задержку физического, психического и интеллектуального развития).
Схемы наиболее частых хромосомных аберраций:
Делении: 1 - концевая; 2 - интерстициальная. Инверсии: 1 - перицентрическая (с захватом центромеры); 2 - парацентрическая (в пределах одного плеча хромосомы)
Межхромосомные мутации, или мутации перестройки — обмен фрагментами между негомологичными хромосомами. Такие мутации получили название транслокации (от лат. tгаns — за, через + locus — место). Это:
Реципрокная транслокация, когда две хромосомы обмениваются своими фрагментами;
Нереципрокная транслокация, когда фрагмент одной хромосомы транспортируется на другую;
- «центрическое» слияние (робертсоновская транслокация) - соединение двух акроцентрических хромосом в районе их центромер с потерей коротких плеч.
При поперечном разрыве хроматид через центромеры «сестринские» хроматиды становятся «зеркальными» плечами двух разных хромосом, содержащих одинаковые наборы генов. Такие хромосомы называют изохромосомами. Как внутрихромосомные (делеции, инверсии и дупликации), так и межхромосомные (транслокации) аберрации и изохромосомы связаны с физическими изменениями структуры хромосом, в том числе с механическими разломами.
Наследственная патология как результат наследственной изменчивости
Наличие общих видовых признаков позволяет объединять всех людей на земле в единый вид Homo sapiens. Тем не менее мы без труда, одним взглядом выделяем лицо знакомого нам человека в толпе незнакомых людей. Чрезвычайное разнообразие людей — как внутри групповое (например, разнообразие в пределах этноса), так и межгрупповое — обусловлено генетическим их отличием. В настоящее время считается, что вся внутривидовая изменчивость обусловлена различными генотипами, возникающими и поддерживаемыми естественным отбором.
Известно, что гаплоидный геном человека содержит 3,3х10 9 пар нуклеотидных остатков, что теоретически позволяет иметь до 6-10 млн генов. Вместе с тем данные современных исследований свидетельствуют, что в геноме человека содержится примерно 30-40 тыс. генов. Около трети всех генов имеют более чем один аллель, т. е. являются полиморфными.
Концепция наследственного полиморфизма была сформулирована Э. Фордом в 1940 г. для объяснения существования в популяции двух или более различающихся форм, когда частота наиболее редкой из них не может быть объяснена только мутационными событиями. Поскольку мутация гена является редким событием (1х10 6), частоту мутантного аллеля, составляющую более 1%, можно объяснить только его постепенным накоплением в популяции за счет селективных преимуществ носителей данной мутации.
Многочисленность расщепляющихся локусов, многочисленность аллелей в каждом из них наряду с явлением рекомбинации создает неисчерпаемое генетическое разнообразие человека. Расчеты свидетельствуют, что за всю историю человечества на земном шаре не было, нет и в обозримом будущем не встретится генетического повторения, т.е. каждый рожденный человек является уникальным явлением во Вселенной. Неповторимость генетической конституции во многом определяет особенности развития заболевания у каждого конкретного человека.
Человечество эволюционировало как группы изолированных популяций, длительное время проживающих в одних и тех же условиях окружающей среды, включая климатогеографические характеристики, характер питания, возбудителей болезней, культурные традиции и т.д. Это привело к закреплению в популяции специфических для каждой из них сочетаний нормальных аллелей, наиболее адекватных условиям среды. В связи с постепенным расширением ареала обитания, интенсивными миграциями, переселением народов возникают ситуации, когда полезные в определенных условиях сочетания конкретных нормальных генов в других условиях не обеспечивают оптимальное функционирование некоторых систем организма. Это приводит к тому, что часть наследственной изменчивости, обусловленная неблагоприятным сочетанием непатологических генов человека, становится основой развития так называемым болезней с наследственным предрасположением.
Кроме того, у человека как социального существа естественный отбор со временем протекал во все более специфических формах, что также расширяло наследственное разнообразие. Сохранялось то, что могло отметаться у животных, или, наоборот, терялось то, что животные сохраняли. Так, полноценное обеспечение потребностей в витамине С привело в процессе эволюции к утере гена L-гулонодактоноксидазы, катализирующей синтез аскорбиновой кислоты. В процессе эволюции человечество приобретало и нежелательные признаки, имеющие прямое отношение к патологии. Например, у человека в процессе эволюции появились гены, определяющие чувствительность к дифтерийному токсину или к вирусу полиомиелита.
Таким образом, у человека, как и у любого другого биологического вида, нет резкой грани между наследственной изменчивостью, ведущей к нормальным вариациям признаков, и наследственной изменчивостью, обусловливающей возникновение наследственных болезней. Человек, став биологическим видом Homo sapiens, как бы заплатил за «разумность» своего вида накоплением патологических мутаций. Это положение лежит в основе одной из главных концепций медицинской генетики об эволюционном накоплении патологических мутации в популяциях человека.
Наследственная изменчивость популяций человека, как поддерживаемая, так и уменьшаемая естественным отбором, формирует так называемый генетический груз.
Некоторые патологические мутации могут в течение исторически длительного времени сохраняться и распространяться в популяциях, обусловливая гак называемый сегрегационный генетический груз; другие патологические мутации возникают в каждом поколении как результат новых изменений наследственной структуры, создавая мутационный груз.
Отрицательный эффект генетического груза проявляется повышенной летальностью (гибель гамет, зигот, эмбрионов и детей), снижением фертильности (уменьшенное воспроизводство потомства), уменьшением продолжительности жизни, социальной дизадаптацией и инвалидизацией, а также обусловливает повышенную необходимость в медицинской помощи.
Английский генетик Дж.Ходдейн был первым, кто привлек внимание исследователей к существованию генетического груза, хотя сам термин был предложен Г. Меллером еще в конце 40-х гг. Смысл понятия «генетический груз» связан с высокой степенью генетической изменчивости, необходимой биологическому виду для того, чтобы иметь возможность приспосабливаться к изменяющимся условиям среды.
Изменение ДНК человека которое передается будущим поколениям уже давно считается этически закрытым и запрещенным во многих странах. Ученые сообщают, что они используют новые инструменты для ремонта болезнетворных генов в эмбрионах человека. Хотя исследователи используют дефектные эмбрионы и не собираются имплантировать их в матку женщины, работа вызывает опасение.
Изменение ДНК человеческих яйцеклеток, спермы или эмбрионов известно как герминативное изменение. Многие ученые призывают к мораторию на пересмотр клинических эмбрионов, редактирование зародышевой линии человека и многие считают, что этот вид научной деятельности должен быть запрещен.
Однако, редактирование ДНК человеческого эмбриона может быть этически допустимо, чтобы предотвратить болезнь у ребенка, но только в редких случаях и с гарантиями. Эти ситуации могут быть ограниченно введены для пар, когда они оба имеют серьезные генетические заболевания и для кого редактирование эмбриона действительно последний разумный вариант, если они хотят иметь здорового ребенка.
Опасность преднамеренного изменения генов
Ученые считают, что редактирование эмбриона человека может быть приемлемым, чтобы предотвратить ребенка от наследования серьезных генетических заболеваний, но только при соблюдении определенной техники безопасности и этических критериев. Например, пара не может иметь “разумные альтернативы”, такие как возможность выбора здоровых эмбрионов для экстракорпорального оплодотворения (ЭКО) или с помощью пренатальных тестов и аборта плода с болезнью. Другая ситуация, которая может удовлетворить критериям, если оба родителя имеют одинаковые заболевания, такие как, например, кистозный фиброз.
Ученые предупреждают о необходимости строгого государственного надзора, чтобы предотвратить использование редактирования зародышевой линии для других целей, например, чтобы дать ребенку желаемые, отличительные от остальных черты.
Редактирование генов в клетках пациентов, которые не наследуются, клинические испытания уже ведутся для борьбы с ВИЧ, гемофилией и лейкозом. Считается, что существующие регуляторные системы для генной терапии которые являются достаточными для проведения таких работ.
Редактирование генома не должно быть для повышения потенции, повышения у здорового человека мышечной силы или снижения уровня холестерина.
Редактирование генов человеческой зародышевой линии или модификация зародышевой линии человека означает преднамеренное изменение генов передающееся детям и будущим поколениям.
Другими словами, создание генно-модифицированных людей . Модификация зародышевой линии человека на протяжении многих лет считается запретной темой в связи с безопасностью и социальными причинами. Это формально запрещено в более чем 40 странах.
Опыты по созданию генно-модифицированных людей и наука евгеника
Однако, в последние годы, по новым методам генной инженерии, проводились опыты с человеческими эмбрионами. Для исследований использовались гены и человеческие эмбрионы связанные с бета-заболеванием крови – талассемией. Эксперименты были в основном безуспешными. Но инструменты редактирования генов совершенствуются в лабораториях по всему миру и ожидается, что они позволят легче, дешевле и более точнее редактировать или удалять гены, чем когда-либо прежде. Современные пока теоретические способы редактирования генома позволят ученым вставлять, удалять и подправлять ДНК с получением положительных результатов. Это открывает перспективу лечения некоторых заболеваний, таких как серповидно-клеточные заболевания, муковисцидоз и определенные виды рака.
Селекция применительно к человеку – евгеника
Редактирование генов человеческих эмбрионов или направление евгеника приводит к созданию генетически модифицированных очень разных людей. Это вызывает серьезную безопасность в связи с социальными и этическими проблемами. Они варьируются от перспективы необратимого вреда для здоровья будущих детей и поколений до открывания дверей к новым формам социального неравенства, дискриминации и конфликтов и новой эре евгеники.
Наука евгеника по селекции человека попала в середине прошлого века как наука нацистского направления.
Ученым не разрешено вносить изменения в ДНК человека, который передается последующим поколениям. Такой новаторский шаг науки евгеники следует рассматривать лишь после дополнительных исследований, после чего изменения могут быть проведены в условиях жестких ограничений. Такие работы должны быть запрещены, чтобы предотвратить серьезные заболевания и инвалидности.
Изменчивость вызванную изменением генов называют ещё мутациями.
Это давнее табу на внесение изменений в гены человеческой спермы, яйцеклеток или эмбрионов, потому что такие изменения будут унаследованы будущими поколениями. Это табу отчасти из-за опасений, что ошибки могут непреднамеренно создать новые искусственные болезни, которые потом могут стать постоянной частью человеческого генофонда.
Другая проблема заключается в том, что этот вид может быть использован для генетической модификации для немедицинских причин. Например, ученые теоретически могут попытаться создать конструктор детей, в которых родители пытаются выбрать черты характера своих детей, чтобы сделать их умнее, выше, лучшими спортсменами или с другими якобы необходимыми атрибутами.
Ничего подобного в настоящее время не возможно. Но даже перспектива вызывает опасения ученых существенно изменить ход эволюции и создания людей, которые считаются генетически улучшенными, придумывать какие антиутопии будущего, описанные в фильмах и книгах.
Любая попытка создания младенцев от спермы, яйцеклеток или эмбрионов, которые имеют свои ДНК и пытаться редактировать можно только при очень тщательно контролируемых условиях и только для предотвращения разрушительного заболевания.
Это может быть сложно в дальнейшем провести грань между использованием генного редактирования, чтобы предотвратить или обработать заболевание и использовать его для повышения возможностей человека.
Например, если ученым удается выяснить, что изменения генов повышают мыслительные способности, чтобы отбиваться от деменции при болезни Альцгеймера, то это можно считать профилактической медициной. Если просто кардинально улучшить память здорового человека, то это уже не медицинское направление.
Когда разрешено изменять ДНК
Возможность редактирования генов и может быть использована для лечения многих заболеваний и, возможно, даже предотвратить многие разрушительные расстройства от происходящих в первую очередь путем редактирования из генетических мутаций в сперме, яйцеклетке и эмбрионе. Некоторые потенциальные изменения могли бы предотвратить широкий спектр заболеваний, включая рак молочной железы, болезнь Тея-Сакса, серповидноклеточную анемию, кистозный фиброз и болезнь Хантингтона.
Клинические испытания редактирования генов должны быть разрешены, если:
- нет “разумной альтернативы”, чтобы не допустить “серьезного заболевания”
- убедительно доказано, что гены, будучи отредактированы устраняют причину заболевания
- изменения направлены лишь на преобразование таких генов которые связаны с обычным состоянием здоровья
- проведена достаточная предварительная исследовательская работа на тему рисков и потенциальных выгод для здоровья
- постоянный, строгий надзор для изучения влияния процедуры на здоровье и безопасность участников, а также долгосрочные комплексные планы
- есть максимальная прозрачность в соответствии с конфиденциальностью пациента и ведется переоценка, здоровья, социальные выгоды и риски
- есть надежные надзорные механизмы, чтобы предотвратить расширение серьезной болезни или состояния.
Сторонники редактирования зародышевой линии человека, утверждают, что это могло бы потенциально уменьшить или даже устранить, возникновение многих серьезных генетических заболеваний уменьшили бы человеческие страдания во всем мире. Оппоненты говорят, что изменения человеческих эмбрионов опасно и противоестественно, и не учитывает согласие будущих поколений.
Дискуссия по изменению зародыша человека
Начнем с возражением о том, что изменение зародыша – это противоестественно или играть против Бога.
Этот аргумент основывается на предпосылке, что естественное по своей сути хорошее.
Но болезни являются естественными и люди миллионами заболевают и умирают преждевременно-все совершенно естественно. Если бы мы только охраняли природные существа и природные явления, мы бы не смогли использовать антибиотики, чтобы убить бактерии или иначе занимались бы медициной или боролись с засухой, голодом, мором. Система здравоохранения ведется в каждой развитой стране и может быть справедливо охарактеризована как часть всеобъемлющей попытки сорвать ход природы. Что естественно не является ни хорошим, ни плохим. Природные вещества или естественные методы лечения лучше, если они, конечно, возможны.
Приводит к важному моменту в истории медицины и редактирование генома и представляет перспективные начинания науки на благо всего человечества.
Вмешательство в геном человека допущено только в профилактических, диагностических или терапевтических целях и без внесения модификаций для потомков.
Стремительный прогресс в области генетики так называемый “дизайнер младенцев” увеличивает необходимость биоэтики для широкой общественной и ведении дискуссии о силе науки. Наука способна генетически модифицировать человеческие эмбрионы в лаборатории, чтобы контролировать унаследованные черты, такие как внешний вид и интеллект.
По состоянию на сейчас многие страны подписали международную Конвенцию, запрещающую этот вид редактирования генов и изменение ДНК.
