Искусственный мутагенез

Искусственный мутагенез широко используют для изучения белков и улучшения их свойств (направленной эволюции (англ.)).

Ненаправленный мутагенез

Методом ненаправленного мутагенеза в последовательность ДНК вносятся изменения с определенной вероятностью. Мутагенными факторами (мутагенами) могут быть различные химические и физические воздействия — мутагенные вещества, ультрафиолет, радиация. После получения мутантных организмов производят выявление (скрининг) и отбор тех, которые удовлетворяют цели мутагенеза. Ненаправленный мутагенез более трудоемок и его проведение оправдано, если разработана эффективная система скрининга мутантов.

Направленный мутагенез

В направленном (сайт-специфическом) мутагенезе изменения в ДНК вносятся в заранее известный сайт. Для этого синтезируют короткие одноцепочечные молекулы ДНК (праймеры), комплементарные целевой ДНК за исключением места мутации.

Мутагенез по Кункелю

Для бактериальной плазмиды (внехромосомной кольцевой ДНК) получают уридиновую матрицу, то есть такую же молекулу, в которой остатки тимина заменены на урацил. Праймер отжигают на матрице, проводят его достройку in vitro с помощью полимеразы до кольцевой ДНК, комплементарной уридиновой матрице. Двухцепочечной гибридной ДНК трансформируют бактериальные клетки, внутри клетки уридиновая матрица разрушается как чужеродная, и на мутантной одноцепочеченой кольцевой ДНК достраивается вторая цепь. Эффективность такого способа мутагенеза менее 100 %.

Мутагенез с помощью ПЦР

Полимеразная цепная реакция позволяет проводить сайт-направленный мутагенез с использованием пары праймеров, несущих мутацию (рис. 1), а также случайный мутагенез. В последнем случае ошибки в последовательность ДНК вносятся полимеразой в условиях, понижающих ее специфичность.

5. Генетическая безопасность – это состояние защищенности генетической информации, которое определяется самой генетической информацией. 

Выражение «генетически безопасный фактор» используется как синоним словосочетания «фактор, не оказывающий вредное воздействие на генетическую информацию и механизмы ее реализации».

Факторы, которые оказывают отрицательное действие на генетическую информацию и механизмы ее реализации называются генотоксиканты.

Действие генотоксикантов исключительно разнообразно: мутагенное, эпимутагенное, канцерогенное, тератогенное, эмбриотоксическое. Отрицательное воздействие таких факторов (генотоксичность) может проявляться на различных уровнях: молекулярно-генетическом, цитогенетическом, морфофизиологическом.

К генотоксикантам относятся мутагены, промутагены, эпимутагены, канцерогены, эмбриотоксины, тератогены, морфогены. Примеры генотоксикантов: ионизирующая радиация, тяжелые металлы, многие органические соединения (например, альдегиды, запрещенные пищевые добавки – краситель Е-123, консервант Е-240).

Факторы, которые могут оказывать отрицательное воздействие на генетическую информацию и механизмы ее реализации, считаются потенциальными генотоксикантами. К химическим потенциальным генотоксикантам относятся химические средства защиты растений, лекарственные препараты, некоторые пищевые добавки (например, консерванты-нитриты Е-249, Е-250). К биологическим потенциальным генотоксикантам относятся возбудители заболеваний и паразиты (вредители), микроорганизмы с генетически измененными свойствами, а также некоторые высшие организмы. 

Аспекты генетической безопасности

Генетическая безопасность тесно связана с биологической, экологической, а также продовольственной, сельскохозяйственной, энергетической безопасностью, а также проблемами сдерживания бактериологического оружия. Проблемы генетической безопасности включают в себя также медицинские (валеологические), социоэкономические и биополитические аспекты.

Можно говорить о генетической безопасности биосферы, биомов, экосистем, биоценозов, популяций и внутрипопуляционных группировок (эволюционная безопасность), а также о генетической безопасности агробиоценозов.

Особое значение придается генетической безопасности человека, включая глобальную, популяционную (этническую), групповую и личную безопасность.

Генетическая безопасность и генетически модифицированные организмы (ГМО) – трансгенные организмы

В последние десятилетия в связи с бурным развитием генной, или генетической инженерии появился новый вид потенциально опасных генетических факторов, связанных с созданием и производством (культивированием) генетически модифицированных организмов (ГМО), переработкой и потреблением продукции, содержащей генетически модифицированные источники (ГМИ). Поэтому в особую группу выделяются аспекты генетической безопасности, связанные с ГМО и ГМИ. К широко распространенным потенциально опасным трансгенным культурным растениям относятся: трансгенная соя, трансгенная кукуруза, трансгенный хлопок..

6. Помимо геномных нуклеиновых кислот, входящих в состав хромосом и обусловливающих хромосомное наследование, в клетках про- и эукариот находятся молекулы ДНК (реже РНК), реплицирующиеся либо в виде автономных структур, либо в составе органоидов. Количество нехромосомной ДНК сравнительно невелико и составляет для разных организмов от десятых долей до нескольких процентов. Нехромосомные кольцевые или реже линейные молекулы нуклеиновых кислот, реплицирующиеся автономно от хромосом в клетках эукариот и бактерий, называют общим термином – плазмиды. В составе плазмид могут находится гены, кодирующие ряд признаков клеток-хозяев. Наследование этих генов не подчинено менделеевским закономерностям наследования признаков, что вполне понятно, так как материальная основа законов Менделя заключается в перераспределении хромосом во время мейоза и оплодотворения.

Явление неменделевского наследования у растений было обнаружено еще в начале XX в. Наиболее характерный пример – наследование пестролистности у Ночной красавицы. Признак пестролистности связан с мутациями в ДНК хлоропластов, нарушающими синтез хлорофилла. Вследствие этого отдельные части листа и других зеленых органов растений лишены хлорофилла и оказываются светлыми. Во время мейоза хлоропласты попадают в цитоплазму яйцеклеток, а в клетках пыльцы большинства видов растений они практически отсутствуют. Таким образом, наследование пестролистности передается по материнской линии.

Митохондрии также содержат кольцевидные молекулы ДНК и имеют собственный аппарат белкового синтеза. Митохондриальные гены кодируют в основном две группы признаков, связанных с работой дыхательных систем и устойчивостью к антибиотикам и другим клеточным ядам. Кроме митохондриальных и пластидных ДНК существуют цитоплазматические ДНК, совсем не связанные с этими органоидами. В цитоплазме клеток позвоночных найдены различной формы молекулы ДНК, напоминающие плазмиды бактерий. Роль и происхождение этих плазмидоподобных структур не совсем ясны. Предполагают, что частично они имеют ядерное происхождение, частично связаны с присутствием в цитоплазме эукариот эндосимбионтов – бактерий и вирусов.

Нехромосомный генетический материал бактерий представлен небольшими кольцевидными молекулами ДНК – плазмидами. В них находятся гены, кодирующие устойчивость бактерий к антибиотикам и другим лекарственным средствам, токсичность бактерий и ряд других их свойств.

В заключение следует подчеркнуть, что, хотя количество нехромосомных генов относительно невелико, клетка может содержать в некоторых случаях сложную систему полуавтономных взаимодействующих генетических единиц, находящихся не только в хромосомах ядра. Представление о генах вне хромосом получило в современной науке достаточное фактическое обоснование и развилось в самостоятельный раздел генетики.

35. Синдром Марфана (англ. Marfan syndrome, болезнь Марфана) - аутосомно-доминантное генетическое заболевание которое поражает соединительную ткань, характеризующееся диспропорционально длинными конечностями, тонкими худыми пальцами, соответственно худым  телосложением и наличием сердечно-сосудистых пороков, которые специфически проявляются в виде пороков сердечных клапанов и аорты. Это генетическое заболевание связано с нарушением функционирования соединительной ткани и значительным полиморфизмом клинических проявлений. Преимущественно эта болезнь наследуется по доминантному признаку и вызывается аномалией гена FBN1, кодирующего белок фибрилин-1. Поскольку наследование происходит по доминантному типу, то люди, что наследуют один аномальный ген FBN1 от кого либо из родителей будут поражены указанным заболеванием. Синдром Марфана может появляться в умеренной и тяжелой формах. Люди с этим заболеванием, как правило, высокие, с длинными конечностями и длинными худыми пальцами.

Симптомы

Хотя нет никаких уникальных симптомов болезни Марфана, однако, сочетание таких признаков как длинные конечности, дислокация хрусталика, аневризма корня аорты, вполне достаточно для того, чтобы с уверенностью поставить диагноз. Однако, более чем 30 других клинических признаков, связанные с исследуемым синдромом. Большинство из них характеризуются изменениями скелета, кожи и суставов. Существует также сравнительно высокая вероятность того, что в разных семьях наблюдаться идентичные мутации.

Эпидемиология 

Синдромом Марфана болеют как мужчины, так и женщины, при этом нет никаких этнических или географических особенностей данного заболевания. Согласно оценкам ученых один человек из 3000-5000 человек болеет синдромом Марфана. Через аутосомно-доминантный характер заболевания каждый из родителей может передать дефектные гены ребенку с вероятностью 50%. Большинство людей с синдромом Марфана имеют кого то в семье, кто уже поражен этим заболеванием, а 15-30% всех случаев связаны с новыми генетическими мутациями, которые возникают у одного ребенка на 20000 новорожденных. Синдром Марфана - это пример доминирующей негативной мутации и гаплонедостаточности. Вызванной переменной экспрессивностью, тогда как неполная пенетрантность на сегодня не является хорошо задокументированной.

Диагностика Критерии, согласно которым диагностируют болезнь Марфана, были согласованы на международном уровне в 1996 году. Диагностика синдрома Марфана базируется на историях семей и на сочетании основных и второстепенных признаков болезни, которые в совокупности редко встречаются  среди населения, но в единичном варианте могут проявляться в отдельной личности. Например - четыре нарушения со стороны опорно-двигательного аппарата сочетаются с патологиями других органов (органов системы зрения или сердечно-сосудистой системы) у одного человека - что может быть вероятным признаком синдрома Марфана. Ниже перечисленные признаки могут быть вызваны болезнью Марфана, или могут возникнуть у людей, в которых любые нарушения отсутствуют: • аневризма аорты или ее расширения; • арахнодактилия; • гастроэзофагеальная рефлюксная болезнь (ГЭРБ); • двустворчатый аортальный клапан; • кисты; • кистозный медиальный некроз; • дефекты перегородок сердца; • дуальная ектазия; • ранняя катаракта; • ранняя глаукома; • ранний остеоартрит; • вывих хрусталика; • эмфизема легких; • колобома радужной оболочки; • плоскостопие; • рост - выше среднего; • учащенное сердцебиение; • грыжа; • дисплазия суставов; • кифоз (искривление верхнего отдела позвоночника. • пролабирование клапанов сердца; • неправильный прикус; • микрогнатия (маленькая нижняя челюсть). • пролапс митрального клапана; • миопия (близорукость); • обструктивные болезни легких; • остеопения (пониженная плотность костной ткани); • воронкообразное или килевидное искривление грудной клетки; • пневмоторакс (коллапс легких); • отслоения сетчатки; • сколиоз; • синдром апноэ; • появление растяжек без причины (не от беременности, синдрома Кушинга или ожирения); • нарушение роста зубов; • узкое, худое лицо; • артроз нижнечелюстного сустава.

Лечение

На сегодня лекарства от болезни Марфана не существует, однако за последние десятилетия продолжительность жизни с этим заболеванием значительно возросла, а клинические испытания, которые проводятся направленные на получение новых методов лечения и, на сегодня, довольно многообещающие. Синдром Марфана лечится по мере развития болезни, но особенно важным является профилактика заболевания, даже для маленьких детей, которая должна быть направлена на замедление развития аневризмы аорты. (проводятся различного рода операции по каким-либо заболеваниям: на глаза-замена хрусталика, сердце — замена клапанов, и тд.)