Генетические технологии

Содержание

Введение

1. Генетика

1.1. История генетики

1.2. Наука генетика

1.3. Методы генетики

2. Современные генетические технологии

2.1. Генная терапия

2.1.1. Методы генной терапии

2.1.2. Несовершенство генной терапии

2.2. Клонирование

2.2.1. Терапевтическое клонирование

2.2.2. Клонирование человека

2.3. Стволовые клетки

2.3.1. Лечение стволовыми клетками

2.3.2. Омоложение стволовыми клетками

Заключение

Список используемой литературы

Введение

Огромное влияние на жизнь человечества в наши дни оказывают генетика и связанные с ней исследования физиологических особенностей размножения человека.

Генетика - наука о наследственности и её изменчивости - получила развитие в начале XX века. За короткий срок генетика выросла в разветвленную биологическую науку с широким кругом экспериментальных методов и направлений. Генетика по праву может считаться одной из самых важных областей биологии. На протяжении тысячелетий человек пользовался генетическими методами для улучшения домашних животных и возделываемых растений, не имея представления о механизмах, лежащих в основе этих методов.

Генетика – это наука, изучающая наследственность и изменчивость живых организмов. Как и любой другой науке, ей присущи свои методы исследования.

В настоящее время генетика является актуальной наукой, так как результаты её исследований применяются в различных областях повседневной жизни, таких как сельское хозяйство и медицина. Активно развиваются современные генетические технологии, проводятся исследования в области клонирования. Всё это в перспективе позволит улучшить уровень медицины, а соответственно и увеличится продолжительность жизни человека.

Целью данного реферата является рассмотрение истории и методов генетики, а также  современных генетических технологий, таких как:

      генная терапия;

      клонирование;

      стволовые клетки.

1. Генетика

1.1. История генетики

Судя по разнообразным археологическим данным, уже 6000 лет назад люди понимали, что некоторые физические признаки могут передаваться от одного поколения другому. В 1909 г. датский ботаник Иогансен назвал эти единицы гедам, а в 1912 г. американский генетик Морган показал, что они находятся в хромосомах. С тех пор генетика достигла больших успехов в объяснении природы наследственности и на уровне организма, и на уровне гена.

Первое представление о наследственности содержится в трудах ученых античной эпохи. Уже к V в. до н.э. сформировались две основные чисто умозрительные теории: прямая и непрямая наследственность признаков. Сторонником прямого наследования был Гиппократ. Который считал, что репродуктивный материал собирается из всех частей тела и таким образом все органы тела непосредственно влияют на признаки потомства. Точку зрения Гиппократа оспаривал Аристотель (IV в. до н.э.). Он был сторонником теории непрямого наследования признаков и считал, что репродуктивный материал вовсе не поступает из всех частей тела, а производится из питательных веществ, по своей природе предназначенных для построения разных частей тела. Теория прямого наследования просуществовала 23 века. Последней серьёзной вариацией на эту тему можно считать теорию пангенезиса Ч. Дарвина 1868 г., развитую в книге « Изменение животных и  растений в домашнем состоянии»[1]. 

На  фоне  видовой  и  другой  специфики  в  явлениях  наследственности  для  всех  живых  существ  обнаруживаются  общие  законы.  Их  существование  показывает  единство  органического  мира.  История   генетики как таковой  начинается  с   1900 года,  когда  независимо  друг  от  друга  Корренс,  Герман  и  де  Фриз  открыли  и  сформулировали  законы  наследования  признаков,  когда  была  переиздана работа  Г. Менделя   "Опыты   над   растительными   гибридами".  С  того  времени  генетика  в  своем  развитии  прошла три  хорошо  очерченных  этапа - эпоха  Классической  генетики  (1900-1930),  эпоха  неоклассицизма (1930-1953)  и  эпоха  синтетической  генетики, которая  началась  в  1953  году.  На первом   этапе  складывался  язык  генетики,  разрабатывались   методики  исследования,  были  обоснованы  фундаментальные   положения,  открыты основные  законы.  В  эпоху  неоклассицизма   стало   возможным  вмешательство  в  механизм   изменчивости, дальнейшее  развитие  получило   изучение  гена  и  хромосом,  разрабатывается  теория искусственного  метагенеза, что  позволило  генетике  из  теоретической   дисциплины перейти  к  прикладной. Новый  этап  в  развитии  генетики  стал   возможным   благодаря расшифровке  структуры "золотой"  молекулы    ДНК в    1953  г.  Дж. Уотсоном   и   Ф. Криком.  Генетика   переходит   на  молекулярный  уровень  исследований.   Стало   возможным   расшифровать  структуру  гена,  определить  материальные  основы  и  механизмы   наследственности  и  изменчивости.  Генетика  научилась  влиять  на  эти  процессы,     направлять  их  в  нужное  русло.   Появились   широкие   возможности   соединения теории  и  практики.

1.2. Наука генетика

Генетика — важнейшая область современной биологии, и для того, чтобы лучше понять ее, нужно сначала уяснить, что такое наука в целом. Наука — это разновидность человеческой деятельности, важная составляющая общечеловеческой культуры. Сбор и обработку информации, пожалуй, можно назвать одной из основных черт деятельности человека как вида.

Генетика, как наука решает следующие основные задачи:

1.      изучает способы хранения генетической информации у разных организмов и ее материальные носители;

2.      анализирует способы передачи наследственной информации от одного поколения к другому;

3.      выявляет механизмы и закономерности реализации генной информации в процессе индивидуального развития и влияние на них условий внешней среды обитания;

4.      изучает закономерности и механизмы изменчивости, и ее роль в приспособительных реакциях и в эволюционном процессе;

5.      изыскивает способы исправления поврежденной генетической информации.

1.3. Методы генетики

Совокупность методов исследования наследственных свойств организма (его генотипа) называется генетический анализ. В зависимости от задачи и особенностей изучаемого объекта генетический анализ проводят на популяционном, организменном, клеточном и молекулярном уровнях.

Основу генетического анализа составляет гибридологический анализ, основанный на анализе наследования признаков при скрещиваниях. Гибридизацией   называется  процесс  скрещивания   с   целью  получения   гибридов.  Гибрид   это организм,   полученный  в  результате  скрещивания   разнородных  в  генетическом   отношении  родительских  форм.  Гибридизация    может   быть  внутривидовой,  когда  скрещиваются  особи  одного  вида   и  отдаленной,  если   скрещиваются   особи  из  различных    видов  или   родов.  При  исследовании  наследования  признаков  используются  методы  моногибридного,  дигибридного,  полигибридного   скрещивания,  которые   были  разработаны  еще  Г. Менделем в  его  опытах   с  сортами  гороха.  При  моногибридном  скрещивании   наследование проводится  по  одной  паре  альтернативных  признаков,   при  дигибридном  скрещивании - по  двум  парам   альтернативных   признаков,  при   полигибридном  скрещивании -  по  3,4   и  более   парам  альтернативных  признаков[2]. 

Гибридологическому анализу обычно предшествует селекционный метод. С его помощью осуществляют подбор или создание исходного  материала,  подвергающегося дальнейшему анализу (напр., Г. Мендель, который по существу является основоположником генетического анализа, начинал свою работу с получения константных – гомозиготных – форм гороха путём самоопыления);

Однако в некоторых случаях метод прямого гибридологического анализа оказывается неприменим. Например, при изучении наследования признаков у человека необходимо учитывать ряд обстоятельств: невозможность планирования скрещиваний, низкая плодовитость, длительный период полового созревания. Поэтому кроме гибридологического анализа, в генетике используется множество других методов.

Цитогенетический метод. Заключается в цитологическом анализе генетических структур и явлений на основе гибридологического анализа с целью сопоставления генетических явлений со структурой и поведением хромосом и их участков (анализ хромосомных и геномных мутаций, построение цитологических карт хромосом, цитохимическое изучение активности генов и т. п.). Частные случаи цитогенетического метода – кариологический, кариотипический, геномный анализ.

Популяционный метод. На основе популяционного метода изучают генетическую структуру популяций различных организмов: количественно оценивают распределение особей разных генотипов в популяции, анализируют динамику генетической структуры популяций под действием различных факторов (при этом используют создание модельных популяций).

Молекулярно-генетический метод представляет собой биохимическое и физико-химическое изучение структуры и функции генетического материала и направлен на выяснение этапов пути «ген → признак» и механизмов взаимодействия различных молекул на этом пути.

Мутационный метод позволяет (на основе всестороннего анализа мутаций) установить особенности, закономерности и механизмы мутагенеза, помогает в изучении структуры и функции генов. Особое значение мутационный метод приобретает при работе с организмами, размножающимися бесполым путём, и в генетике человека, где возможности гибридологического анализа крайне затруднены.

Генеалогический метод (метод анализа родословных). Позволяет проследить наследование признаков в семьях. Используется для определения наследственного или ненаследственного характера признака, доминантности или рецессивности, картирования хромосом. Как правило, генеалогический метод составляет основу для заключений при медико-генетическом консультировании (если речь не идет о хромосомных болезнях).

Близнецовый метод, заключающийся в анализе и сравнении изменчивости признаков в пределах различных групп близнецов, позволяет оценить относит, роль генотипа и внешних условий в наблюдаемой изменчивости. Особенно важен этот метод при работе с малоплодовитыми организмами, имеющими поздние сроки наступления половой зрелости (напр., крупный рогатый скот), а также в генетике человека.

В генетическом анализе используют и многие другие методы:

      онтогенетический;

      иммуногенетический;

      сравнительно-морфологические и сравнительно-биохимические методы;

      методы биотехнологии;

      разнообразные математические методы и т. д.

2. Современные генетические технологии

2.1. Генная терапия

Концепция генной терапии существует уже на протяжении последних десятилетий. Она заключатся в том, что наиболее радикальным способом борьбы с разного рода заболеваниями, вызываемыми изменениями генетического содержания клеток, должна быть обработка, направленная непосредственно на исправление или уничтожение самой генетической причины заболевания, а не ее следствий. Причиной может быть мутация в зародышевой линии клеток, которая передается по наследству при наследственных заболеваниях, это может быть соматическая мутация, которая вызывает, например, рак, или это может быть изменение вследствие появления в клетке чужеродного генетического материала, например, в результате вирусной инфекции. Способ же борьбы с этими генетическими изменениями заключается в искусственном введении в пострадавшую клетку новой генетической информации, призванной поправить ту, с которой связана болезнь. Эта концепция, по-видимому, появилась сразу после осознания механизмов трансформации клеток опухолеродными вирусами. Они, эти вирусы, осуществляли стабильное внедрение генетического материала в геном клетки хозяина, и поэтому тогда же было предложено использовать их, как векторы для доставки желаемой генетической информациии в геном клеток, чтобы в случае необходимости поправлять клеточные дефекты и лечить болезни генома.

Исторически генная терапия нацеливалась на лечение наследственных генетических заболеваний, но впоследствии поле ее применения, по-крайней мере теоретически, расширилось таким образом, что она стала рассматриваться, как потенциально универсальный подход к лечению практически всего спектра болезней, начиная от инфекционных, включая так называемые болезни современного общества, такие как рак, атеросклероз, диабет и кончая классически генетическими, наследственными заболеваниями.

2.1.1. Методы генной терапии

Существует несколько способов введения новой генетической информации в клетки млекопитающих. Это позволяет разрабатывать прямые методы лечения наследственных болезней - методы генотерапии.

Используют два основных подхода, различающиеся природой клеток- мишеней[3]:

- фетальную генотерапию, при которой чужеродную ДНК вводят в зиготу или эмбрион на ранней стадии развития, при этом ожидается, что введенный материал попадет во все клетки реципиента (и даже в половые клетки, обеспечив тем самым передачу следующему поколению);

- соматическую генотерапию, при которой генетический материал вводят только в соматические клетки и он не передается половым клеткам.

В настоящее время более 4500 болезней классифицируется как генетические заболевания. Большинство наиболее обычных болезней современного общества, такие как рак, атеросклероз, нейропсихиатрические болезни имеют существенный генетический компонент и также могут рассматриваться, как объекты классической генной терапии. Но, конечно, в последнем случае дело обстоит много более трудно и нужно разбираться в генетике болезни, что непросто.

2.1.2. Несовершенство генной терапии

Генная терапия в настоящий момент не совершенна и уже имеется ряд неудач. Накапливается много примеров разных откликов человека и экспериментальных животных на одну и ту же обработку. Отклонения могут быть, как в сторону, благоприятную для человека, так и наоборот. Например, когда аденовирусные векторы вводят экспериментальным животным, у них в крови быстро появляются антивирусные антитела. А у человека они не появляются.

Примерно четверть всех смертных случаев в США вызвано раковыми опухолями. Более 85% из них являются твердыми опухолями. Причина смерти обычно метастазы, хотя и первичная опухоль тоже может быть фатальной. В последнее время появились новые подходы к лечению, включающие методы геннотерапии. Эти подходы были объявлены, как магическая пуля и были с энтузиазмом восприняты политиками, инвесторами и публикой. Однако клинические испытания на сегодняшний день не дали ожидаемых высоких результатов. Главной проблемой является преодоление барьеров для проникновения терапевтического агента в опухоль с минимальной токсичностью для здоровых клеток. Модели дают очень обещающие результаты, однако даже с лучшими животными моделями остается проблема перехода к человеку, который отличается и биохимически и физиологически от модели.

17 сентября 2000 г. в Университете Пенсильвании умер 17 летний Джесси Гелзингер, которого пытались вылечить путем генной терапии от наследственного заболевания печени[4]. Он умер вследствие гиперреакции имунной системы на ввод в печень терапевтического агента. Гелзингер был здоровее большинства людей, страдающих аналогичной болезнью. Течение его болезни можно было частично контролировать специальной диетой. Смерть Джесси стала тревожным сигналом для многих медицинских центров, начинающих генную терапию.

2.2. Клонирование

Клонирование — это искусственное создание организмов-клонов, то есть, генетически идентичных оригинальному (донорскому) организму.

Первые успешные опыты по клонированию животных были проведены в середине 1970-х годов английским эмбриологом Дж. Гордоном (J. Gordon) в экспериментах на амфибиях, когда замена ядра яйцеклетки на ядро из соматической клетки взрослой лягушки привела к появлению головастика.

Однако клонирование млекопитающих оставалось проблемой, пока в 1997 группа Яна Вильмута не смогла создать овцу по имени Долли — первое животное, полученное из ядра взрослой соматической клетки.

Использование технологии клонирования предоставляет уникальную возможность получать фенотипически и генетически идентичных животных, которые могут быть использованы для решения различных теоретических и практических задач, стоящих перед биомедициной и сельским хозяйством. Благодаря технологии клонирования появилась возможность ускоренной генетической селекции и тиражирования животных с рекордными производственными показателями. В сочетании с трансгенозом клонирование животных открывает дополнительные возможности для производства ценных биологически активных белков, используемых для лечения различных заболеваний человека. Клонирование животных позволит проводить испытания медицинских препаратов на идентичных животных. В медицине представляется перспективной клеточная терапия на базе использования клонированных клеток. Такие клетки должны компенсировать недостаток и дефект собственных клеток организма и, главное, они не будут отторгаться при трансплантации. Технология клонирования животных, по-видимому, поможет осуществлять и широкомасштабную ксенотрансплантацию органов, то есть замену отдельных органов человека на соответствующие органы клонированных животных.

2.2.1. Терапевтическое клонирование

Цель терапевтического клонирования — получение стволовых клеток, генетически совместимых с донорским организмом. Например, из ДНК больного болезнью Паркинсона можно получить эмбриональные стволовые клетки, которые можно использовать для его лечения, при этом они не будут отторгаться имунной системой больного. Потенциал для применения терапевтического клонирования в области медицины просто огромен.

Существуют следующие возможности для получения стволовых клеток:

1)     наряду с костным мозгом исследователи все чаще обнаруживают в органах и тканях человека и так называемые взрослые стволовые клетки. Преимущество состоит в том, что донором клеток является сам пациент и, таким образом, созданные на основе этих клеток новые органы иммунологически совместимы и последующее их отторжение иммунной системой маловероятно (невозможно). Недостаток же заключается в том, что потенциал этих стволовых клеток пока не достаточно точно изучен. Кроме того, сложен процесс выделения (дифференциации) и размножения этих клеток.

2)     другим источником могут служить бластоцисты – оплодотворенные яйцеклетки на очень ранней стадии процесса деления. Из них можно выделить так называемые зародышевые стволовые клетки, которые по имеющимся сегодня данным являются более универсальными, нежели взрослые стволовые клетки. Их можно получить из находящихся на ранней стадии развития эмбрионов. Однако при использовании метода искусственного оплодотворения возникает опасность, что иммунная система реципиента может не "принять" полученные из этих тканей стволовые клетки, (как чужеродные), и возникнет их последующее отторжение как чужеродной ткани.

Иначе обстоит дело при втором варианте - терапевтическом клонировании. Здесь ядро дифференцированной клетки самого пациента помещается в яйцеклетку, из которой предварительно было удалено ее ядро. Из эмбриональных стволовых клеток выращенной на этой основе бластоцисты впоследствии реконструируются ткани для пациента. Так как донор и реципиент - идентичны (это один и тот же человек), то иммунных проблем не возникает.

2.2.2. Клонирование человека

Клонирование человека - этическая и научная проблема конца XX-го — начала XXI-го века, состоящая в технической возможности приступить к формированию и выращиванию принципиально новых человеческих существ, точно воспроизводящих не только внешне, но и на генетическом уровне того или иного индивида, ныне существующего или ранее существовавшего - вместе с полной этической неподготовленностью к этому общества[5].

Пока технология клонирования человека не отработана. И здесь встаёт ряд как теоретических, так и технических вопросов.

Самым принципиальным ограничением является невозможность повторения сознания, а это значит, что речь не может идти о полной идентичности личностей, как это показывается в некоторых кинофильмах, но только об условной идентичности, мера и граница которой ещё подлежит исследованию, но для опоры за базис берётся идентичность однояйцевых близнецов. Невозможность достичь стопроцентной чистоты опыта обуславливает некоторую неидентичность клонов, по этой причине снижается практическая ценность клонирования.

Опасения вызывают такие моменты, как большой процент неудач при клонировании и связанные с этим возможности появления людей-уродов (появление уродов невозможно, так как при клонировании гены не мутируют, а просто копируются, это одно из самых распространённых ошибочных мнений о клонировании и неадекватной реакции на них общества). А также вопросы отцовства, материнства, наследования, брака и многие другие.

В большом числе стран использование данной технологии применительно к человеку пока запрещено. Это, однако, не исключает возможность её использования в будущем, после детального изучения молекулярных механизмов взаимодействия цитоплазмы ооцита-реципиента и ядра соматической клетки-донора, а также совершенствования самой техники клонирования животных. В частности, в Англии уже разрешено проведение экспериментов по клонированию с использованием эмбриональных клеток человека.

2.3. Стволовые клетки

Открытие стволовой клетки стоит в одном ряду с такими великими достижениями человечества, как открытие двуспиральной цепочки ДНК.

Термин «стволовая клетка» впервые ввел в 1908 году русский гематолог из Санкт–Петербурга А. Максимов. Этот год можно считать началом истории стволовых клеток[6].

Значительный объем исследований стволовых клеток проведен биологами А. Фриденштейном и И. Чертковым в России, в 60–х годах прошлого века. Именно они открыли стволовые клетки в костном мозге, обладающие уникальной регенерационной способностью (способность к восстановлению). Однако оценить истинную значимость этого открытия человечество смогло только спустя почти полвека.

Стволовые клетки являются предшественниками клеток всех органов и тканей человека, из которых формируются клетки всех других типов – кроветворной, нервной и сердечно–сосудистой системы, эндокринных органов, костной, хрящевой и мышечной тканей.

Миллиарды клеток растущего организма происходят всего–навсего из одной клетки (зиготы), которая образуется в результате слияния мужской (сперматозоид) и женской (яйцеклетка) половых клеток (гамет). Эта единственная клетка содержит не только информацию об организме, но и схему его последовательного развития.

В течение нескольких первых дней деления этой клетки образуется шарик из совершенно одинаковых неспециализированных клеток. Примерно через шесть–семь дней этот шарик образует бластоцисту, которая состоит из наружного слоя клеток (эктодермы), окружающего полость, наполненную жидкостью и стволовыми клетками (мезодермы), которые и дадут начало всем остальным клеткам организма. Именно поэтому такие стволовые клетки называют тотипотентными, или всемогущими.

2.3.1. Лечение стволовыми клетками

Стволовые клетки в организме взрослого человека вырабатывает костный мозг. Это основной их источник, но далеко не единственный. Также стволовые клетки обнаружены и в жировой ткани, коже, мышцах, печени, легких, сетчатке глаза, практически во всех органах и тканях организма. Они обеспечивают восстановление поврежденных участков органов и тканей.

Стволовые клетки, получив от регулирующих систем организма сигналы о какой–либо «неполадке», по кровяному руслу устремляются к пораженному органу, восстанавливая практически любое повреждение, преобразовываясь на месте в необходимые организму клетки (костные – остеобласты, мышечные – миобласты, печеночные – мезенхимальные, сердечной мышцы – кардиомиобласты и даже клетки мозга – нейроны).

По своей сути стволовые клетки – это своеобразная «ремонтная бригада» организма, которая устремляется в проблемную зону и заменяет собой больные, поврежденные клетки того или иного органа. Благодаря своей способности превратиться в любую ткань, стволовые клетки могут применяться для лечения огромного количества заболеваний.

Лечение стволовыми клетками широко применяется для терапии огромного количества заболеваний. Современная медицина способна не только выращивать и культивировать стволовые клетки из их небольшого количества, взятого из организма, но и трансплантировать их. Лечение стволовыми клетками путем их трансплантации в кровеносное русло человека уже сегодня используется для врачевания большого числа недугов.

Например, лечение стволовыми клетками применяют при: ишемической болезни сердца, инфаркте, инсульте, атеросклерозе, , сахарном диабете, дцп, рассеянном склерозе, хроническом простатите , язвенном колите, бронхиальной астме, остеохондрозе, циррозе, артрозе ,артрите, псориазе, дерматите, экземе… Не совсем приятные и не слишком легко излечимые заболевания, правда? И, тем не менее, стволовые клетки способны либо полностью их вылечить, либо значительно улучшить состояние человека.

На сегодняшний день лечение стволовыми клетками наиболее эффективный из существующих методов справиться с серьезным заболеванием, а подчас и единственный, который может спасти жизнь пациента!

2.3.2. Омоложение стволовыми клетками

Омоложение стволовыми клетками – это еще один способ применения уникальных «ремонтников» организма. Если они способны заменить поврежденные клетки – почему бы им не заменить собой старые клетки? – резонно рассудили ученые. Да, так действительно можно добиться ощутимого омоложения организма (ревитализации).

Однако омоложение стволовыми клетками происходит часто.

Когда человек лечится, стволовые клетки вводят как можно ближе к органу, ткани которого необходимо оздоровить. И этот орган начинает работать лучше, лучше начинают работать и все основные органы. Лучше начинают функционировать все системы организма, в том числе и кожный покров. Человек не просто выглядит моложе, человек чувствует себя более молодым и энергичным. Так что часто омоложение стволовыми клетками – это просто приятный побочный эффект лечения.

Заключение

За последнее время генетика обогатилась методами физики и химии. На ее базе возникла молекулярная биология. Биохимия и молекулярная генетика внесли огромный вклад в теорию гена.

Генетика изучает два неразрывных свойства живых организмов: наследственность и изменчивость. Термин «генетика» придумал У. Бэтсон, он же определил новую науку как физиология изменчивости и наследственности. Как и любой другой науке, ей присущи свои методы исследования:

1)     гибридологический  метод;

2)     искусственный  мутагенез;

3)     биохимические  методы.

На протяжении тысячелетий человек пользовался генетическими методами для улучшения домашних животных и возделываемых растений.

В данной работе также были рассмотрены современные технологии генетики:

1)     генная терапия;

2)     клонирование;

3)     стволовые клетки.

Генетика в современном мире используется для различных целей - от выращивания генетически модифицированных растений до лечения различных болезней.

Самым главным тормозящим фактором в развитии генетической науки являются эстетические проблемы человеческого общества. Генетика как наука всё ещё активно развивается и со стороны общественности не редко наблюдается негативное отношение к её результатам.

Перспективы развития генетики – лечение всех болезней, а также продление жизни человека.

Список используемой литературы

1.      База знаний по биологии человека // Электронный ресурс http://humbio.ru/

2. Бартон Г., Энтони Г., Дэвид С., Тара К. Генетика/ Пер. с англ. О. Перфильева. — М.: изд. «ФАИР-ПРЕСС», 2004.