Асланян Марлен Мкртичевич, заслуженный профессор Московского университета, кафедра генетики биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова «Генетика. - презентация

1 Асланян Марлен Мкртичевич, заслуженный профессор Московского университета, кафедра генетики биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова «Генетика и общество» Что дает генетика человеку: достижения, надежды и опасения

2 Генетика изучает фундаментальные свойства - наследственность и изменчивость на всех уровнях организации «живого»: популяционном, организменном, клеточном и молекулярном. Для каждого человека необходимо знание нескольких базовых понятий генетики (ген, аллель, признак, генотип, фенотип, мутация, гомозигота, гетерозигота, хромосома, ДНК, РНК, геном, генетический код и пр.).

3 В повседневной жизни политики, журналисты, деятели культуры используют генетические термины (ген, генофонд), искажая истинный биологический смысл понятия. Биосоциальная природа человека дает неоднозначное толкование природы наследования сложных поведенческих признаков и способности к творческой деятельности (математические, музыкальные, художественные и т.д.) В формирование этих качеств человека вносят свой вклад генетическая и средовая компоненты.

4 С середины 20-го столетия генетики наряду с генетической наследственностью рассматривают сигнальную (социальную) наследственность, которая означает различные формы передачи опыта между поколениями. Сюда же можно отнести явление импринтинга (запечатление) поведенческих реакций. Динамика сигнальных, или культурных признаков сходна с динамикой биологических признаков, контролируемых генами и хромосомами.

5 родители белые красные розовые гаметы поколение гаметы Наследование признаков с неполным доминированием у львиного зева родители белые красные розовые гаметы поколение гаметы

6 Джеймс Уотсон. 50 лет двойной спирали. журнал «В мире науки», 8, 2003 «Мы отдаем себе отчет в том, что установленное нами специфическое спаривание оснований сразу указывает на возможный механизм копирования вещества наследственности.» Nature, 25 апреля 1953 г.

7 1. Евгеника – наука об улучшении человеческого рода. Основатели - Френсис Гальтон (Великобритания), Флоринский Василий Маркович (Россия). Первоначально гуманная идея вылилась в мероприятия стерилизации определенных групп людей, разделения человечества на «высшие» и «низшие» расы. Это выразилось в негативное отношение в обществе не только к евгеническому движению, но и генетике (в СССР). Альтернативой евгенике являются развитие знаний по генетике человека и медико-генетическому консультированию.

8 Позитивным в евгеническом движении явилось развитие исследований по генетике человека и медицинской генетике. Альтернатива евгенике - развитие сети медико-генетических консультаций, совершенствование методов пренатальной диагностики, распространение медико- генетических знаний в широких слоях общества (1,2, 3). Первоначально гуманная идея вылилась в мероприятия стерилизации определенных групп людей, разделения человечества на «высшие» и «низшие» расы. Это выразилось в негативное отношение в обществе не только к евгеническому движению, но и генетике (в СССР).

9 В основе евгенических мероприятий лежат методы отбора – селекция. а) Негативная евгеника – ограничение размножения определенных групп общества, народов, рас путем стерилизации (законы о стерилизации в США - в 33 штатах, в Германии, Скандинавских странах, Эстонии) в период годов. В фашистской Германии – физическое уничтожение целых народов. Разделение наций на высшие и низшие расы. б) Позитивная евгеника – создание благоприятных (поощрительных) условий отдельным привилегированным группам людей. Термин «евгенизм» происходит от греческого слова eugenes - хорошего рода(eu - хороший, genesis - происхождение). Говоря о евгенике, следует задать себе и оппонентам два вопроса: 1. Каковы стандарты улучшенных популяций человеческого рода? 2. А судьи кто?

10 Евгеническое движение развивалось в СССР с 1920 по 1929 годы. Активными участниками этого движения являлись выдающиеся генетики Н.К.Кольцов, А.С. Серебровский, Ю.А.Филипченко, В.В. Сахаров и др. В Москве издавался « Русский евгенический журнал», а в Ленинграде «Бюллетень бюро по евгенике». В этих журналах публиковались статьи антропо- и медико-генетического плана и материалы, посвященные теоретической евгенике. Русское евгеническое движение отвергло «негативную евгенику» и выступило против законов о стерилизации, но каждый по своему развивал идеи об улучшении человеческого рода методами «позитивной евгеники».

11 2. «Зеленая революция» в середине 20-го столетия. Доктор Норман Борлауг, используя мутации «карликовости» при селекции пшеницы и риса, создал сверхурожайные неполегающие сорта пшеницы, что спасло миллионы жизней, но при этом сильно сузилось сортовое генетическое разнообразие.

12 Норман Эрнест Борлауг, лауреат Нобелевской премии мира 1970г. «Зеленая революция»: вчера, сегодня и завтра. Доклад на Международной конференции «Семена возможностей: перспективы сельскохозяйственной биотехнологии», май-июнь 2001г., Лондон Зеленая революция позволила к концу 20–го века за три десятилетия увеличить производство питания на четверть, достигло 5 млрд. т в год и оказалось на 40% дешевле, что спасло сотни миллионов жителей планеты от голодной смерти. Чтобы накормить растущее население Земли, к 2025 г. этот показатель предстоит увеличить еще на 50%.

13 3. Генетическая инженерия. Создание трансгенных растений, животных, микроорганизмов дает реальные надежды решения продовольственной проблемы, создание новых уникальных лекарств, получение новых биотехнологичных материалов. Беспокойство в обществе по поводу генно–модифицированных продуктов, необходимость обязательной маркировки продуктов ГМ.

14 качественно новые продукты, новые лекарства, новые промышленные технологии Трансгенные растения – основа биотехнологии растений:

15 Трансгенные растения, устойчивые к насекомым Структура Bt-токсина (протоксина) Bacillus thuringensis. Белок 1178 а/к. Бактерию уже 50 лет используют для борьбы (поливают поля) Попадая в кишечник личинок насекомого, протоксин разрушается под действием ферментов с образованием эндотокина Современные высоко продуктивные сорта очень подвержены воздействию вредителей (10 вредителей на 1 растение)

16 У многих трансгенных растений изменена лишь активность какого-то белка, что способствует большей защите от насекомых или устойчивости к гербицидам. Две трети выращиваемых в мире генно- модифицированных растений не боятся химикатов, а треть – паразитов; другие же содержат больше незаменимых аминокислот (триптофан, лизин) или витаминов (каротин). Среди трансгенных растений наибольшие площади посевов занимают: соя (50 млн. га), кукуруза (20 млн. га), хлопок ( 10млн. га), рапс ( 2,3 млн. га).

17 Беспокойство в обществе по поводу генно– модифицированных (ГМ) продуктов вполне правомерно, но чрезмерно гипертрофировано, а в ряде случаев и надумано. Приведу мнение все того же Нормана Борлауга: «Ведущиеся ныне ожесточенные дебаты о трансгенных сельскохозяйственных растениях сосредоточены на двух основных проблемах: безопасности и беспокойстве о равном доступе и праве собственности». Обеспокоенность потенциальной опасностью ГМО базируется преимущественно на представлениях о том, что введение «чужеродных» ДНК в основные сорта продовольственных культур «противоестественно» и, стало быть, сопровождается неустранимым риском для здоровья. Но поскольку все живые организмы, включая продовольственные растения, животных, микробов и т.д. содержат ДНК, как можно считать рекомбинантные ДНК «противоестественными»? Даже определить понятие «чужеродный ген» и то проблематично, поскольку множество генов оказываются общими для самых разных организмов.

18 Конечно, необходимо помечать ГМ - продукты, особенно в тех случаях, когда их свойства заметно отличаются от традиционных (скажем, по пищевой ценности) или в них присутствуют явные аллергены или токсины». Для информированности населения необходима обязательная маркировка ГМ – продуктов.

19 Конструирование трансгенных животных позволяет получать лекарственные препараты для человека (фактор свертываемости крови, человеческий инсулин, гормоны и др.). Первым трансгенным животным стала мышь с крысиным геном гормона роста. Как и ожидалось, она выросла значительно больше своих братьев и сестер, но проблем со здоровьем у нее не наблюдалось. Сегодня генетики уже привыкли использовать в своих экспериментах трансгенных животных. Гены светлячка были перенесены растениям, которые светились в темноте; точно также гены медузы можно перенести мышам, чтобы они также светились (4).

20 Фирма Макдоналдс собирается производить лекарство из молока трансгенных коз: GTC Biotherapeutics в Чарлтоне (штат Массачусетс) содержит ферму из 30 генно- модифицированных коз, дающих необычное молоко, в котором присутствует человеческий белок антитромбин, разжижающий кровь.. Генетическая трасформация свиней приближает возможность пересадки тканей животных людям. В 2002 году компания PPL Therapeutics plc объявила о рождении помета трансгенных клонов свиньи. У этих поросят гены, которые в естественных условиях приводят к отторжению органов свиньи в организме человека, были отключены, что теоретически означает, что их ткани более пригодны для трансплантации.

21 Рис – основной источник питания большей части населения Земли. 800 млн. людей живут менее, чем на 1$ в день. Золотой рис – трансгенный сорт, в геном которого введен дополнительный ген биосинтеза каротиноидов ( увеличение содержания ретинола – провитамина А). Трансгенные растения с измененными свойствами плодов и семян. После 2002 г. основной упор делается на улучшение потребительских свойств с помощью методов генной инженерии

22 Результаты социолого-психологического исследования Не принято в анализ 6% Осторожная поддержка 8% Предубеждение 49% Продвижение 37% Точка зренияЧисло человекПроцент Предубеждение Продвижение Осторожная поддержка Не принято в анализ Всего ,3% 37,2% 7,6% 5,9% 100%

23 Химерные мыши, экспрессирующие RFP (красный флуоресцирующий белок) используются для изучения закономерностей индивидуального развития.

24 Трасгенные мыши с экспрессией GFP (зеленый флуоресцирующий белок медузы)

25 4. Клонирование позвоночных животных (овечка Долли,1997), выдающееся достижение эмбриологии, генетики и клеточной биологии, открыло широкие перспективы для племенного животноводства и других клеточных технологий. Но исследования по клонированию человека вызывают категорические возражения по морально-этическим, юридическим, религиозным и другим причинам. В большинстве развитых стран введен мораторий на клонирование человека, даже в случае терапевтического клонирования и использования эмбриональных стволовых клеток.

26 Существуют два методических подхода к генетическому клонированию животных: Разделение дробящейся морулы на стадии 8-, 16-, 32- бластомеров на 4, 8 или 16 частей соответственно, и трансплантация их в половую сферу суррогатной матери. Пересадка донорных диплоидных ядер соматических клеток в энуклеированные яйцеклетки. Культивирование реконструированной зиготы in vivo или in vitro. Трансплантация реконструированного зародыша в организм суррогатной матери.

27 Овечка Долли с суррогатной мамой

28 Клонированные поросята, козы, овца Хромосомы клонированной овцы с укороченными теломерами

29 5. Успешная реализация международного проекта «Геном человека» открыла широкие перспективы для развития предиктивной ( предсказательной ) медицины, для оценки риска развития многих мультифакториальных заболеваний, генной терапии наследственных моногенных болезней (описано более 4 тысяч). Задачей новой биологической дисциплины – «геномики» является выяснение функциональной роли каждого гена и их взаимодействия друг с другом.

30 Геном человека, состоящий из 3 х 10 9 п.н. был расшифрован в 2003 г. и содержит тыс.генов. К этому времени было идентифицировано 1,42 миллиона случаев полиморфизма по отдельным нуклеотидам. Параллельно проводилось сиквенирование геномов других организмов. Расшифрованы геномы более 100 видов важных бактерий и паразитов, а также многих штаммов вирусов. Расшифрованы геномы: животные - нематода, дрозофила, комар, домашняя муха, мышь, рыбка; 8 видов растений - резуховидка, рис, хлопок, рапс, соя, лядвенец (сем. бобовых) и др.

31 Сравнительная геномика позволяет на основе знания структуры генов модельных объектов идентифицировать гены человека или хозяйственно-ценных организмов. Так у мыши и человека имеется множество сегментов хромосом с одинаковым порядком генов (синтения). Мыши служат хорошей моделью при расшифровке молекулярных механизмов патогенеза как моногенных, так и сложных мультифакториальных заболеваний. Достижения функциональной геномики уже сейчас находят применение в медицинской практике. За последние 20 лет идентифицировано около 2000 генов, мутации в которых приводят к моногенным заболеваниям, выявлено более 100 онкогенов и генов-супрессоров опухолей, обусловливающих различные формы рака.

32 Использование молекулярных ДНК – маркеров позволяет создавать диагностикумы для раннего распознавания болезней, проводить идентификацию личности и биопаспортизацию. Однако, любое вмешательство в жизнь человека – индивида, должно быть направлено на его благо. Усилия ученых в ближайшие десятилетия будут направлены на расшифровку принципов функциональной организации клетки – атома жизни.

33 Джеймс Уотсон 50 лет двойной спирали журнал «В мире науки», 8, 2003 «Мы отдаем себе отчет в том, что установленное нами специфическое спаривание оснований сразу указывает на возможный механизм копирования вещества наследственности» Nature, 25 апреля 1953 г.

34

35 Схема генетического контроля стволовости у человека и некоторые из мышиных гомологов, использованные в работе K. Takahashi, S.Yamanaka, 2006 (отмечены красными стрелками)

36 Ни один из 24 изученных генов не был способен перепрограммировать клетки в одиночестве, но сочетание нескольких генов приводило к нужным результатам. Минимальный набор генов, комбинация которых приводила к появлению устойчивых клонов, содержал 4 гена - Oct4, Sox2, c-Myc, Klf4. Oct4 и Sox2 -ключевые транскрипционные факторы регуляции пролиферации и полипотентности СК, характеризующиеся высоким уровнем экспрессии в ЭСК, снижающимся в процессе дифференцировки. Гены Klf4 (кодирует белок с цинковыми пальцами гомолог Krueppel – gap-гена дрозофилы) и c-Myc (транскрипционный белок HLH/LZ ( с доменами helix-loop-helix и leucine zipper), играют важную роль в качестве модификаторов хроматина, способствующих активации Oct4 и Sox2. Эти 2 гены можно заменить на другие - ERas, Tcl1, b-catenin и Stat3.

37 ( 1) анализ морфологии и экспрессии всех специфических для СК генов (паттерн экспрессии очень похож, но есть

38 Такой подход особенно важен для медицины, поскольку получение СК человека в достаточном для терапии количестве является большой проблемой. Возможность индукции плюрипотентности с помощью генной инженерии клеток in vitro уже продемонстрирована экспериментально (в СК превращены фибробласты). 20 ноября 2007 г одновременно S.Yamanaka и J.A. Thomson опубликовали материалы исследований по получению iPS клеток человека. Индукцию плюрипотентности проводили на разных клеточных культурах и сравнивали полученные клетки между собой и с контролем – ЭСК человека. Yamanaka использовал взрослые дермальные фибробласты, веретеновидные синовиоциты и неонатальные фибробласты крайней плоти, а Thomson – неонатальные и фетальные фибробласты. Takahashi et al Induction of Pluripotent Stem Cells from Adult Human Fibroblasts by Defined Factors. Cell, 131: Yu,…. Thomson Induced Pluripotent Stem Cell Lines Derived from Human Somatic Cells. Science, 318, 5858: 1917 – 1920.

39 В качестве индукторов репрограммирования японские исследователи взяли тот же квартет транскрипционных факторов, выявленных ими из 24 претендентов: Oct4, Sox2, c-Myc, Klf4. Thomson с коллегами вместо Klf4 и c-Myc взяли Nanog и Lin28. Роль Nanog, наряду с Oct4 и Sox2, общепризнанна в индукции плюрипотентности соматических клеток. Роль Lin28 в репрограммировании в исследовании подтверждена не была. Однако необходимость замены c-Myc оправдана, т.к.выявлена его способность вызывать апоптоз и опухолевую трансформацию.

40 6.Экологическая генетика. Естественный и индуцированный мутагенез. Мутагенные факторы (ионизирующие излучения, уф, химические соединения) Загрязнение окружающей среды радиационными и химическими веществами ведет к накоплению в популяциях человека генетического груза(летальные и дефектные мутации, хромосомные перестройки), что требует проведения генетического мониторинга по уровню мутаций. Необходимо создать систему контроля генетической безопасности человека.

41 ЭРА ГЕНОМИКИ ЭТАПЫ 1977 ДНК секвенирована впервые независимо Фредом Зангером, Уолтером Гилбертом и Алланом Максемом. Лаборатория Зангера полностью секвенирует геном бактериофага Φ-X174;.1977секвенирована Фредом Зангером Уолтером ГилбертомАлланом МаксемомбактериофагаΦ-X174; 1983 Кэри Бэнкс Мёллис открывает Полимеразную цепную реакцию, открывающую возможности простой и быстрой амплификации ДНК.1983Кэри Бэнкс МёллисПолимеразную цепную реакциюамплификации 1989 Впервые секвенирован ген человека (Фрэнсис Коллинс и Лап-Че Цуи). Ген кодирует белок CFTR. Дефекты в последовательности гена приводят к развитию опухолей.1989Фрэнсис КоллинсЛап-Че ЦуиCFTR 1995 Впервые полностью секвенирован геном организма невирусной природы бактерии Haemophilus influenzae.1995 Haemophilus influenzae 1996 Впервые полностью секвенирован геном эукариотного организма пекарских дрожжей Saccharomyces cerevisiae.1996дрожжей 1998 Впервые полностью секвенирован геном многоклеточного эукариотного организма нематоды C. elegans.1998 нематодыC. elegans 2001 Обнародованы первые наброски полной последовательности генома человека одновременно Проектом «Геном человека» (Human Genome Project) и Celera Genomics.2001 Проектом «Геном человека»Celera Genomics 2003 (14 апреля) Проект «Геном человека» успешно завершён: 99 % генома секвенировано с точностью 99.99% апреляПроект «Геном человека» 2008 Стартовал международный проект по расшифровке геномов 1000 человек.2008

42