Учебно-методическое пособие Содержание Достижения современной генетики
Скачать 0.68 Mb.
|
| Генетика в школьном курсе биологии (учебно-методическое пособие) Содержание
Генетические разделы школьного курса биологии - камень преткновения для учащихся и учителей биологии, так как являются одними из самых сложных для понимания. Облегчению усвоения этих разделов может способствовать знания достижений современной генетики, а также решение задач разных уровней сложности. Использование таких задач развивает у школьников логическое мышление и позволяет им глубже понять учебный материал, дает возможность преподавателям осуществлять эффективный контроль уровня достижений учащихся. Данное учебно-методическое пособие составлено в помощь учителям биологии, учащимся старших классов общеобразовательных школ, абитуриентам и студентам естественных и биологических факультетов. Достижения современной генетики "...Но прежде прибери в комнатах, вымой окна, натри пол, выбели кухню, выполи грядки, посади под окнами семь розовых кустов, разбери семь мешков фасоли: белую отбери от коричневой, познай самое себя". Е.Л Шварц. "Золушка" Наверное, самым трудным для Золушки в заданиях злой и коварной мачехи было: "Познай самое себя!" Все остальное трудно, но понятно - действия привычные, выдумывать ничего не надо, только поспевай... А что значит: "Познай самое себя"? Узнать как ты движешься, думаешь или дышишь, когда перебираешь фасоль? А может быть, первый шаг к настоящему пониманию человека - узнать, как он воспроизводит себе подобных? Когда несколько американских ученых в 1986-1987 годах принялись неслыханно дерзко уговаривать руководителей Министерства энергетики США выделить несколько миллиардов долларов на фантастический проект: узнать строение всех генов человека - это был правильный шаг к познанию самих себя. Узнав строение генов, можно было посягнуть и на то, чтобы вторгнуться реально в понимание процессов мышления и реагирования на стимулы, приходящие из окружающей среды и т.д. Как только проект, названный "Геном человека ", был объявлен, начались новые муки: множество людей во всем мире, причем не просто обыватели, а профессора и руководители институтов, стали его резко критиковать, называя его "завиральным", нереальным и попросту глупым. Вложенных средств он не оправдает, усилий потребует столько, что все ученые, забросив остальные дела, справиться с ним не смогут и т. п. Деньги затея поглотит, а толку все равно не будет. Рановато еще к этому приступать, твердили эти знатоки, наука не созрела для решения таких задач, технических возможностей не создано, лучше прекратить с самого начала нелепую выдумку, а деньги пустить на действительно реальные проекты. Если бы на этом настаивали специалисты по ядерной физике или физической химии, было бы понятно, ведь из-за "Генома человека" приостановили другие дорогие проекты, прежде всего в области физики. Но в хоре протестов выделялись и голоса биологов, особенно из Западной Европы и СССР. Правда, в СССР были и другие ученые, в частности, академик А..А. Баев, которые сразу же постарались включиться в международный проект и извлечь из него максимальную пользу. И вот прошло 10 лет с момента официального старта проекта. Чего же удалось достичь? К концу 1999 г. расшифровано свыше двух десятков геномов. Но насколько близки мы к пониманию строения всех генов человека? И что эти данные могут дать самому человеку? СКОЛЬКО ГЕНОВ В ЧЕЛОВЕЧЕСКОМ ОРГАНИЗМЕ? В любой соматической клетке человека 23 пары хромосом. В каждой из них по одной молекуле ДНК. Длина всех 46 молекул почти 2 м. У взрослого человека примерно 5х10" клеток, так что общая длина молекул ДНК в организме 10" км (почти в тысячу раз больше расстояния от Земли до Солнца). В молекулах ДНК одной клетки человека 3,2 млрд. пар нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из углевода, фосфата и азотистого основания. Углеводы и фосфаты одинаковы во всех нуклеотидах, а азотистых оснований - четыре. Таким образом, язык генетических записей четырехбуквенный, и если основание его "буква ", то "слова" - это порядок аминокислот в кодируемых генами белках. Кроме состава белков в геноме (совокупности генов в одинарном наборе хромосом) записаны и другие любопытные сведения. Можно сказать, что Природа (в результате эволюции или Божьего промысла) закодировала в ДНК инструкции о том, как клеткам выживать, реагировать на внешние воздействия, предотвращать "поломки", иными словами, - как развиваться и стареть организму. Любое нарушение этих инструкций ведет к мутациям, и если они случаются в половых клетках (сперматозоидах или яйцеклетках), мутации передаются следующим поколениям, угрожая существованию данного вида. Как представить себе 3 млрд. оснований зримо? Чтобы воспроизвести информацию, содержащуюся в ДНК единственной клетки, даже самым мелким шрифтом (как в телефонных справочниках), понадобится тысяча 1000-страничных книг! Сколько же всего генов, то есть последовательностей нуклеотидов, кодирующих белки, в ДНК человека? Года три назад полагали, что g около 100 тыс., затем решили, что не более 80 тыс. В конце 1998 г. пришли к выводу, что в геноме человека 50-60 тыс. генов. На их долю приходится только 3% общей длины ДНК. Роль остальных 97% пока неясна. ЧТО ТАКОЕ "ГЕНОМ ЧЕЛОВЕКА"? Цель проекта - выяснить последовательности азотистых оснований и положения генов (картирование) в каждой молекуле ДНК каждой клетки человека, что открыло бы причины наследственных заболеваний и пути к их лечению. В проекте заняты тысячи специалистов со всего мира: биологов, химиков, математиков, физиков и техников. Это один из самых дорогих научных проектов в истории. В 1990 г. на него потрачено 60 млн. долл., в 1991 г. - 135 млн., в 1992-1995 гг. - от 165 до 187 млн. в год , а в 1996-1998 гг. только США израсходовали 200, 225 и 253 млн. Интерес к уже полученным результатам огромен: самые цитируемые в 1998 г. авторы (не только в генетике или биологии, но во всех областях науки) Марк Адамс и Крэйг Вёнтер из Института исследований генома в штате Мэриленд (США) - частной компании, занимающейся только составлением "генных карт". ВЕХИ ПРОЕКТА Проект состоит из пяти основных этапов:
Когда эти этапы будут завершены, исследователи определят все функции генов, а также биологические и медицинские применения результатов. ТРИ КАРТЫ В ходе проекта создают три типа карт хромосом: генетические, физические и секвенсовые (от англ. sequence - последовательность). Выявить все гены, присутствующие в геноме, и установить расстояния между ними - значит локализовать каждый ген в хромосомах. Такие генетические карты помимо инвентаризации генов и указания их положений ответят на исключительно важный вопрос о том, как гены определяют те или иные признаки организма. Ведь многие признаки зависят от нескольких генов, часто расположенных в разных хромосомах, и знание положения каждого из них позволит понять, как происходит дифференцировка (специализация) клеток, органов и тканей, а также успешнее лечить генетические заболевания. В 20-е и 30-е годы, когда создавалась хромосомная теория наследственности, выяснение положения каждого гена привело к тому, что на генетических картах сначала дрозофилы, а затем кукурузы и ряда других видов удалось отметить особые точки, как тогда говорили, "генетические маркеры" хромосом. Анализ их положения в хромосомах помог снабдить генетические карты хромосом человека новыми сведениями. Первые данные о положении отдельных генов появились еще в 60-е годы. С тех пор они множились лавинообразно, и в настоящее время известно положение уже десятков тысяч генов. Три года назад разрешение генетической карты составляло 10 Мб (для некоторых участков - даже 5 Мб). Другое направление исследований - составление физических карт хромосом. Еще в 60-е годы цитогенетики стали окрашивать хромосомы, чтобы выявить на них особые поперечные полосы. После окрашивания полосы было видно в микроскоп. Между полосами и генами удалось установить соответствие, что позволило изучать хромосомы по-новому. Позже научились "метить " молекулы ДНК радиоактивными или флуоресцентными метками) и следить за присоединением этих меток к хромосомам, что значительно повысило разрешение их структуры: до 2 Мб, а потом и до 0,1 Мб (при делении клеток). В 70-е годы научились "разрезать " ДНК на участки специальными (рестрикционными) ферментами, распознающими короткие отрезки ДНК, в которых информация записана в виде палиндромов - сочетаний, читаемых одинаково от начала к концу и от конца к началу. Так возникли рестрикционные карты хромосом. Использование современных физических и химических методов и средств улучшило разрешение физических карт в сотни раз. Наконец, разработка методов секвенирования (изучения точных последовательностей нуклеотидов в ДНК) открыла путь к созданию секвенсовых карт с рекордным на сегодня разрешением (на этих картах будет указано положение всех нуклеотидов в ДНК). ДВА ПОДХОДА Число хромосом и их длина различны у разных биологических видов. В клетках бактерий всего одна хромосома. Так, размер генома бактерии Mycoplasma genitaliurn 0,58 Мб (в нем 470 генов), у бактерии кишечной палочки (Escherichia сои) в геноме 4200 генов (4,2 Мб), у растения Arabidopsis thaliana - 25 тыс. генов (100 Мб), у плодовой мушки Drosophila melanogaster - 10 тыс. генов ( 120 Мб). В ДНК мыши и человека 50-60 тыс. генов (3000 Мб). Конечно, для составления карт столь разных объектов одни и те же методы неприменимы, поэтому используют два разных по методологии подхода. В первом делят ДНК на небольшие куски и, изучив их по отдельности, воссоздают всю структуру, Этот подход увенчался успехом при составлении сравнительно простых карт. Для более сложных геномов эффективнее второй подход. В этих случаях неразумно делить молекулу ДНК на короткие куски, удобные для детального изучения. Их оказалось бы так много, что путаница в последовательностях была бы неразрешимой. Поэтому, принимаясь за расшифровку, молекулу делят, наоборот, на как можно более длинные куски и сравнивают их в надежде найти общие концевые участки. Если это удается, куски объединяют, после чего процедуру повторяют. С совершенствованием компьютеров и математических методов обработки информации объединенные по такому принципу куски становятся все крупнее, постепенно приближаясь к целой молекуле. Этот подход, в частности, позволил составить генетическую карту 3-й хромосомы дрозофилы. КЛАДЕЗЬ НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ Важный аспект проекта "Геном человека " - разработка новых методов исследований. Еще до старта проекта был развит ряд весьма эффективных методов цитогенетических исследований (теперь их называют методами первого поколения). Среди них: создание и применение упомянутых рестрикционных ферментов; получение гибридных молекул, их клонирование и перенос участков ДНК с помощью векторов в клетки-доноры (чаще всего - кишечной палочки или дрожжей); синтез ДНК на матрицах информационной РНК; секвенирование генов; копирование генов с помощью специальных устройств; способы анализа и классификации молекул ДНК по плотности, массе, структуре. В последние 4-5 лет благодаря проекту "Геном человека" разработаны новые методы (методы второго поколения), в которых почти все процессы полностью автоматизированы. Почему это направление стало центральным? Самая маленькая хромосома клеток человека содержит ДНК длиной 50 Мб, самая большая (хромосома 1) - 250 Мб. До 1996 г. наибольший участок ДНК, выделяемый из хромосом с помощью реактивов, имел длину 0,35 Мб, а на лучшем оборудовании их структура расшифровывалась со скоростью 0,05-0,1 Мб в год при стоимости 1-2 долл. за основание. Иными словами, только на эту работу понадобилось бы примерно 30 тыс. дней (почти век) и 3 млрд. долл. Совершенствование технологии к 1998 г. повысило производительность до 0,1 Мб в день (36,5 Мб в год) и понизило стоимость до 0,5 долл. за основание. Использование новых электромеханических устройств, которые к тому же потребляют меньше реактивов, позволит уже в 1999 г. ускорить работы еще в 5 раз (к 2003 г. планируется довести скорость расшифровки до 500 Мб в год) и уменьшить стоимость до 0,25 долл. за основание (для человеческой ДНК еще дешевле). ГЕНЫ В БАНКЕ За последние шесть лет созданы международные банки данных о последовательностях нуклеотидов в ДНК разных организмов (GenBank EMBL/ DDBJ) и о последовательностях аминокислот в белках (PIR 1 SwissPot). Любой специалист может воспользоваться собранной там информацией в исследовательских целях. Решение о свободном доступе к информации далось нелегко. Ученые, юристы, законодатели немало потрудились, чтобы воспрепятствовать намерениям коммерческих фирм патентовать все результаты проекта и превратить эту область науки в бизнес. РЕЗУЛЬТАТЫ Расшифрованные геномы. 1995 г. - бактерия Hemophilus influenza 1996 г. - клетка дрожжей (6 тыс. генов, 12,5 Мб); 1998 г. - круглый червь Caenorhabditis elegans (19 тыс. генов, 97 Мб). Основные результаты завершенных этапов проекта изложены в журнале "Science" (1998.Vol. 282, N5 5396,. Р. 2012-2042). Изученные гены человека. За 1995 г. длина участков ДНК человека с установленной последовательностью оснований увеличилась почти в 10 раз. Но хотя прогресс был налицо, результат за год составил менее 0,001% от того, что предстояло сделать. Но уже к июлю 1998 г. было расшифровано почти 9% генома, а затем каждый месяц появлялись новые значительные результаты. Изучив большое число копий генов в виде сДНК и сопоставив их последовательности с участками хромосомной ДНК, к ноябрю 1998 г. расшифровали 30 261 ген (примерно половина генома). Функции генов. Результаты завершенной части проекта позволяют судить о роли двух третей генов в образовании и функционировании органов и тканей человеческого организма. Оказалось, что больше всего генов нужно для формирования мозга и поддержания его активности, а меньше всего для создания эритроцитов - лишь 8. Другие организмы. Когда составлялась программа исследований по проекту, решили сначала отработать методы на более простых моделях. Поэтому на первом этапе реализации проекта изучили 8 разных представителей мира микроорганизмов, а к концу 1998 г. - уже 18 организмов с размерами генома от 1 до 20 Мб. В их числе представители многих родов бактерий: архебактерии, спирохеты, хламидобактерии, кишечная палочка, возбудители пневмоний, сифилиса, гемофилии, метанобразующие бактерии, микоплазмы, риккетсии, цианобактерии. Как уже упоминалось, завершен генетический анализ одноклеточного эукариота - дрожжей Saccharomyces cerevisae и первого многоклеточного животного - червя С. elegans. Повреждения генов и наследственные болезни. Из 10 тыс. известных заболеваний человека около 3 тыс. - наследственные болезни. Они необязательно наследуются (передаются потомкам). Просто вызваны они нарушениями наследственного аппарата, то есть генов (в том числе в соматических клетках, а не только в половых). Выявление молекулярных причин "поломки" генов - важнейший результат проекта. Число изученных болезнетворных генов быстро растет, и через 3-4 года мы познаем все 3 тыс. генов, ответственных за те или иные патологии. Это поможет разобраться в генетических программах развития и функционирования человеческого организма, в частности, понять причины рака и старения. Знание молекулярных основ заболеваний поможет их ранней диагностике, а значит, и более успешному лечению. Адресное снабжение лекарствами пораженных клеток, замена больных генов здоровыми, управление обменом веществ и многие другие мечты фантастов на наших глазах превращаются в реальные методы современной медицины. |
Добавить документ в свой блог или на сайт
Похожие:
 | ... | | С. П. Фирсовой – доктором медицинских наук, профессором кафедры общественного здоровья и организации здравоохранения игму |
| Учебно-методическое пособие предназначено для студентов очной и заочной формы обучения факультета ветеринарной медицины по специальности... | | Учебно-методическое пособие предназначено для студентов ннгу, обучающихся по направлению подготовки 020400. 62 «Биология», изучающих... |
| Учебно-методическое пособие предназначено для студентов лечебного, педиатрического, медико-профилактического, стоматологического... |  | Учебно-методическое пособие составлено на кафедре неврологии Гродненского государственного медицинского института |
| Учебно-методическое пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальности «Педиатрия» | | Учебно-методическое пособие по офтальмологии для студентов педиатрического факультета. Ставрополь. Изд: сгма, 2009 г |
| Методическое пособие предназначено для врачей-стоматологов государственных и частных лечебных учреждений. Пособие может быть использовано... | | К 61 Духовно-нравственная культура: учебно-методическое пособие для образовательных учреждений. – Омск : боудпо «ирооо», 2009. –... |