Механизмы, вызывающие изменения генетической информации. Классификация мутаций по изменениям в кодирующей последовательности ДНК (замены, вставки, делеции) Классификация мутаций по локализации в клетке

Наследственная информация передается от одного поколения микроорганизмов к другому большим числом генов, содержащихся в нуклеотиде каждой клетки. Информация, заключенная в гене, считывается и используется для синтеза специфического ферментного белка. Наличие этого ферментного белка создает химическую основу для проявления определенного признака у микроорганизма. В итоге все наследственные признаки микроорганизмов являются конечными продуктами биохимических процессов, что в равной мере применимо и к физиологическим особенностям, и к морфологическим признакам.

Один ген может контролировать наследование одного признака или определять несколько или многие признаки, затрагивающие различные части клетки микроорганизма. В других случаях несколько генов могут совместно контролировать проявление какого-либо одного признака. В бактериальной хромосоме все гены расположены в линейной последовательности. Гены определенных признаков лежат в соответствующих местах хромосомы, называемых локусами. Бактерии обычно гаплоидны: у них имеется только один набор генов.

Полный набор генов, которым обладает клетка микроорганизма, представляет собой генотип данного микроорганизма. Проявление наследуемых морфологических признаков и физиологических процессов у индивидуумов называется фенотипом (от греч. фаино -- проявлять, показывать). Сходные по генотипу микроорганизмы могут существенно различаться по фенотипу, то есть по способу проявления наследственных признаков. Фенотипические различия между микроорганизмами, одинаковыми по генотипу, называются модификациями (фенотипическими адаптация ми). Таким образом, взаимодействие генетических задатков с внешней средой может быть причиной возникновения различных фенотипов, даже если генотипы идентичны. Однако потенциальный размах таких фенотииических различий контролируется генотипом.

Модификации, как правило, существуют до тех пор, пока действует вызвавший их специфический фактор внешней среды,-- они не передаются потомкам и не наследуются ими. Так, обработка фенолом бактерий со жгутиками препятствует развитию жгутиков у этих организмов. Однако у потомства обработанных фенолом безжгутиковых бактерий, выращенного на среде без фенола, образуются нормальные жгутики.

Установлено, что практически все морфологические и физиологические признаки микроорганизмов прямо или косвенно контролируются генетической информацией, заключенной в ДНК.

Информация, которую несет ДНК не является чем-то абсолютно стабильным и неизменным. Если бы информация, передаваемая от одного поколения к другому, не была способна к изменению, то диапазон реакций близкородственных организмов на факторы внешней среды был бы также постоянным и любое внезапное их изменение, оказавшееся вредным для микроорганизмов с застывшим генотипом, могло бы привести к исчезновению вида. Следовательно, информация, передающаяся от поколения к поколению, не является абсолютно стабильной, что оказывается полезным для выживания вида.

Изменения генотипа, называемые мутациями (от лат. mutare -- изменять), происходят спонтанно, то есть случайно. Такие мутации вызывают резкие изменения единичных генов, ответственных за содержащуюся в клетке информацию. Как правило, редкие ошибки репликации ДНК не сопровождаются массированными изменениями информации, вовлекающими большое число разнообразных признаков. Однако у организмов развились другие механизмы, способствующие возникновению в потомстве резко измененной наследственности. Эти механизмы заключаются в объединении и обычно в немедленной перетасовке (рекомбинации) генов, принадлежащих близкородственным, но генотипически различным организмам. При генетической рекомбинации в хромосому одной микробной клетки, служащей реципиентом, встраиваются фрагменты хромосомы микроорганизма, являющегося донором.

У микроорганизмов способность к рекомбинации генов может быть представлена в виде схемы.

В настоящее время у микроорганизмов известны три типа передачи признаков от донора к реципиенту: трансформация, конъюгация и трансдукция. микроорганизм аэробный железо соль

Мутация (mutation): аллель, встречающийся в популяции с частотой, равной или меньше 1%. Причиной изменчивости организмов является не только комбинационная изменчивость, но и мутации. Это такие изменения генома, которые состоят либо в появлении новых аллелей (их называют генными мутациями), либо в перестройке хромосом, например, в переносе кусочка одной хромосомы на другую (тогда их называют хромосомными мутациями), либо в изменениях генома (геномные мутации). Пример геномной мутации - изменение числа хромосом в клетке. Отдельные мутации возникают редко. Например, генные мутации возникают примерно в одном гене из сотен тысяч или даже миллиона. Однако поскольку генов может быть достаточно много, мутации вносят заметный вклад в изменчивость. О мутациях рассказывалось выше и в связи с ДНК, и в связи с работами Моргана. У Моргана признаком мутации являлось какое-то морфологическое отличие дрозофилы, которое наследуется. Оно показывало, что в генетическом материале мутанта есть отличие от генома мух дикого типа. Откуда оно берется, вопрос сначала не ставился. Мутации - это случайно возникшие стойкие изменения генотипа, затрагивающие целые хромосомы, их части или отдельные гены. Мутации могут быть крупными, хорошо заметными, например отсутствие пигмента (альбинизм), отсутствие оперения у кур (рис. 11), коротконогость и др. Однако чаще всего мутационные изменения - это мелкие, едва заметные уклонения от нормы. Термин "мутация" был введен в генетику одним из ученых, переоткрывших законы Менделя, - Г.де Фризом в 1901 г. (от лат. мутатио - изменение, перемена). Этот термин означал вновь возникшие, без участия скрещиваний, наследственные изменения. Как уже говорилось, мутации делят на генные мутации, хромосомные мутации и геномные мутации (рис. 118). Надо заметить, что при хромосомных и геномных мутациях в геноме не возникает новых генов; фактически, это некоторая перетасовка старых генов. На первый взгляд, было бы логичнее отнести такую изменчивость к комбинационной изменчивости. Однако, при определении пола, появление в геноме лишней Х-хромосомы может вызвать радикальные изменения фенотипа. Поэтому исторически сложилась традиция относить такие изменения генома к мутациям. Кроме классификации мутаций по способу возникновения, их классифицируют и по другим признакам. 1). Прямые мутации - это мутации, вызывающие отклонение от дикого типа. Обратные мутации - это возвращение к дикому типу. 2). Если мутации возникают в половых клетках, их называют генеративными мутациями (от лат. генератио - рождение), а если в других клетках организма - соматическими мутациями (от греч. сома - тело). Соматические мутации могут передаваться потомству при вегетативном размножении. 3). По результатам мутации делят на полезные, нейтральные и вредные, (в том числе стерильные, полулетальные и летальные). Полулетальные мутации - это вредные мутации, сильно снижающие жизнеспособность, но не гибельные, а летальные - приводящие к гибели организма на той или иной стадии развития. Стерильные мутации - это те, которые не влияют на жизнеспособность организма, но резко (часто до нуля) снижают его плодовитость. Нейтральные мутации - это мутации, которые не меняют жизнеспособность организма. Обычно ДНК точно копируется при процессе репликации и сохраняется неизменной между двумя последовательными репликациями. Но изредка происходят ошибки и последовательность ДНК меняется - эти ошибки называются мутациями. Мутация- это устойчивое наследуемое изменение ДНК, независимо от его функциональной значимости. Это определение подразумевает изменение в первичной нуклеотидной последовательности, а изменения иного рода, например метилирование, обычно относят к эпигенетическим событиям. Мутации в соматических клетках, возможно, вызывают процессы старения, рак и другие, менее существенные изменения в организме. Мутации в половых клетках родителей наследуются детьми. Представление об устойчивости мутаций в целом остается верным, но открытие динамических мутаций, обусловленных увеличением числа тринуклеотидных повторов, показывает, что некоторые мутации изменяются при делении соматических или зародышевых клеток. Одни мутации летальны, и они не могут передаваться следующему поколению, а другие не столь опасны и сохраняются в потомстве. С точки зрения эволюции мутации обеспечивают достаточное генетическое многообразие, чтобы позволить видам приспособиться к условиям окружающей среды путем естественного отбора. Каждый генетический локус характеризуется определенным уровнем изменчивости, т. е. присутствием различных аллелей, или вариантов последовательностей ДНК, у разных индивидуумов. Применительно к гену, аллели разделяются на две группы - нормальные, или аллели дикого типа, при которых функция гена не нарушена, и мутантные, приводящие к нарушению работы гена. В любых популяциях и для любых генов аллели дикого типа являются преобладающими. Под мутацией понимают все изменения в последовательности ДНК, независимо от их локализации и влияния на жизнеспособность особи. Таким образом, понятие мутации является более широким по сравнению с понятием мутантного аллеля. В научной литературе часто встречающиеся в популяциях варианты последовательностей генов, не приводящие к заметным нарушениям функций, обычно рассматриваются как нейтральные мутации или полиморфизмы, тогда как понятия "мутация" и "мутантный аллель" зачастую употребляются как синонимы. Мутации могут захватывать участки ДНК разной длинны. Это может быть единственный нуклеотид, тогда мы будем говорить о точковой мутации, или же протяженный участок молекулы. Кроме того, учитывая характер изменений, мы можем говорить о заменах нуклеотидов, делециях и вставках (инсерциях) и о инверсиях. Процесс возникновения мутаций называют мутагенезом. В зависимости от факторов, вызывающих мутации, их разделяют на спонтанные и индуцированные. Спонтанные мутации возникают самопроизвольно на протяжении всей жизни организма в нормальных для него условиях окружающей среды. Спонтанные мутации в эукариотических клетках возникают с частотой 10-9-10-12 на нуклеотид за клеточную генерацию. Индуцированными называют мутации, возникающие в результате мутагенных воздействий в экспериментальных условиях или при неблагоприятных воздействиях окружающей среды. Среди важнейших мутагенных факторов, прежде всего, необходимо отметить химические мутагены - органические и неорганические вещества, вызывающие мутации, а также ионизирующее излучение. Между спонтанными и индуцированными мутациями нет существенных различий, Большинство спонтанных мутаций возникает в результате мутагенного воздействия, которое не регистрируется экспериментатором. Необходимо подчеркнуть, что полезность или вредность мутаций зависит от условий обитания: в одних условиях среды данная мутация вредна, в других - полезна. Например, мутация, вызывающая альбинизм, будет полезной для обитателей Арктики, обеспечивая белую защитную окраску, но вредной, демаскирующей для животных, обитающих в других условиях. Изменчивость дает материал для действия естественного отбора и лежит в основе эволюционного процесса. Мутации поставляют материал для работы селекционеров. Получение и отбор полезных (для человека) мутаций лежат в основе создания новых сортов растений, животных и микроорганизмов. Классификация мутаций основана на молекулярных процессах их возникновения.

История формирования микробиологии как науки

Микробиология (от греч. micros. малый, bios. жизнь, logos. учение) -.наука, изучающая строение, жизнедеятельность и экологию микроорганизмов мельчайших форм жизни растительного или животного происхождения, не видимых невооруженным глазом.

Микробиология изучает всех представителей микромира (бактерии, грибы, простейшие, вирусы). По своей сути микробиология является биологической фундаментальной наукой. Для изучения микроорганизмов она использует методы других наук, прежде всего физики, биологии, биоорганической химии, молекулярной биологии, генетики, цитологии, иммунологии. Как и всякая наука, микробиология подразделяется на общую и частную. Общая микробиология изучает закономерности строения и жизнедеятельности микроорганизмов на всех уровнях. молекулярном, клеточном, популяционном; генетику и взаимоотношения их с окружающей средой. Предметом изучения частной микробиологии являются отдельные представители микромира в зависимости от проявления и влияния их на окружающую среду, живую природу, в том числе человека. К частным разделам микробиологии относятся: медицинская, ветеринарная, сельскохозяйственная, техническая (раздел биотехнологии), морская, космическая микробиология. Медицинская микробиология изучает патогенные для человека микроорганизмы: бактерии, вирусы, грибы, простейшие. В зависимости от природы изучаемых патогенных микроорганизмов медицинская микробиология делится на бактериологию, вирусологию, микологию, протозоологию. Каждая из этих дисциплин рассматривает следующие вопросы: - морфологию и физиологию, т.е. осуществляет микроскопические и другие виды исследований, изучает обмен веществ, питание, дыхание, условия роста и размножения, генетические особенности патогенных микроорганизмов; - роль микроорганизмов в этиологии и патогенезе инфекционных болезней; - основные клинические проявления и распространенность вызываемых заболеваний; - специфическую диагностику, профилактику и лечение инфекционных болезней; - экологию патогенных микроорганизмов. К медицинской микробиологии относят также санитарную, клиническую и фармацевтическую микробиологию. Санитарная микробиология изучает микрофлору окружающей среды, взаимоотношение микрофлоры с организмом, влияние микрофлоры и продуктов ее жизнедеятельности на состояние здоровья человека, разрабатывает мероприятия, предупреждающие неблагоприятное воздействие микроорганизмов на человека. В центре внимания клинической микробиологии. Роль условно-патогенных микроорганизмов в возникновении заболеваний человека, диагностика и профилактика этих болезней. Фармацевтическая микробиология исследует инфекционные болезни лекарственных растений, порчу лекарственных растений и сырья под действием микроорганизмов, обсемененность лекарственных средств в процессе приготовления, а также готовых лекарственных форм, методы асептики и антисептики, дезинфекции при производстве лекарственных препаратов, технологию получения микробиологических и иммунологических диагностических, профилактических и лечебных препаратов. Ветеринарная микробиология изучает те же вопросы, что и медицинская микробиология, но применительно к микроорганизмам, вызывающим болезни животных. Микрофлора почвы, растительного мира, влияние ее на плодородие, состав почвы, инфекционные заболевания растений и т.д. находятся в центре внимания сельскохозяйственной микробиологии. Морская и космическая микробиология изучает соответственно микрофлору морей и водоемов и космического пространства и других планет. Техническая микробиология, являющаяся частью биотехнологии, разрабатывает технологию получения из микроорганизмов разнообразных продуктов для народного хозяйства и медицины (антибиотики, вакцины, ферменты, белки, витамины). Основа современной биотехнологии - генетическая инженерия. Многочисленные открытия в области микробиологии, изучение взаимоотношений между макро- и микроорганизмами во второй половине XIX в. способствовали началу бурного развития иммунологии. Вначале иммунология рассматривалась как наука о невосприимчивости организма к инфекционным болезням. В настоящее время она стала общемедицинской и общебиологической наукой. Доказано, что иммунная система служит для защиты организма не только от микробных агентов, но и от любых генетически чужеродных организму веществ с целью сохранения постоянства внутренней среды организма, т.е. гомеостаза. Иммунология является основой для разработки лабораторных методов диагностики, профилактики и лечения инфекционных и многих неинфекционных болезней, а также разработки иммунобиологических препаратов (вакцин, иммуноглобулинов, иммуномодуляторов, аллергенов, диагностических препаратов). Разработкой и производством иммунобиологических препаратов занимается иммунобиотехнология. самостоятельный раздел иммунологии. Современная медицинская микробиология и иммунология достигли больших успехов и играют огромную роль в диагностике, профилактике и лечении инфекционных и многих неинфекционных болезней, связанных с нарушением иммунной системы (онкологические, аутоиммунные болезни, трансплантация органов и тканей и др.).

Превращения железа

В условиях обычного умеренного климата здоровому человеку требуется в продуктах питания 10--15 мг железа в день. Этого количества вполне достаточно, чтобы покрыть его потери из организма. В нашем теле содержится от 2 до 5 г железа, в зависимости от уровня гемоглобина, веса, пола и возраста. Особенно много его в гемоглобине крови -- две трети всего количества, содержащегося в организме; остальное запасено во внутренних органах, главным образом в печени.

Железо, поступающее с пищей, усваивается в кишечнике и переносится в кровеносные сосуды, где захватывается особым транспортным белком. Этот белок впервые был обнаружен еще в 1920 году в сыворотке крови. Но существовавшие в то время методы анализа не позволили точно определить его строение. Лишь в 1945 году шведские ученые К- Холмберг и К.-Б. Лаурелл детально исследовали этот железосодержащий белок, установили его природу и дали ему название «трансферрин».

Интересно, что сходный белок был выделен также в 1939 году из молока и получил название «лактоферрин». Молекулярные массы этих белков примерно одинаковы и составляют около 80 тыс. Они способны связывать 2 атома железа, придающих им характерную красноватую окраску. Лактоферрин затем был обнаружен в слезах, желчи и других жидкостях организма. Собственно говоря, транспортные белки выполняют сходную функцию с гемоглобином, только они переносят не кислород, а железо, причем трехвалентное. Оно транспортируется главным образом в костный мозг, небольшая часть поступает в печень и селезенку, где хранится как запасной фонд; незначительное количество идет на образования миоглобина и некоторых ферментов тканевого дыхания. Основные органы, в которых происходит обмен железа, это костный мозг, печень и тонкий кишечник, где имеются специальные рецепторы, служащие для приема трансферрина.

В костном мозге происходит образование гемоглобина и эритроцитов, продолжительность существования которых составляет около 4 месяцев. По прошествии этого времени гемоглобин разрушается, распадаясь на гем и глобин. Дальше превращения этих веществ идут различными путями. Глобин гидролизуется до аминокислот, а гем в печени превращается в желчные пигменты -- в зеленый биливердин, который восстанавливается до билирубина, имеющего желто-оранжевый или коричневый цвет. Лишь незначительная часть этих пигментов попадает снова в кровь, в основном же они выводятся из организма. При заболеваниях печени, таких, как желтуха, в кровь попадает избыточное количество билирубина, который и придает характерную желтую окраску коже и белкам глаз.

Мы говорили выше о том, что некоторая часть железа в организме хранится про запас. В нормальных условиях такое запасное железо входит в состав красно-коричневого водорастворимого белка ферритина, который широко распространен в растительном и животном мире. Он обнаружен у позвоночных, беспозвоночных, в цветах и даже в грибах. Это говорит о его универсальной роли и о древнем эволюционном происхождении. Впервые ферритин был выделен Ф. Лауфбергером в 1937 году из селезенки лошади. Несколько позднее была установлена его роль как соединения, накапливающего железо в организме. Молекулы ферритина представляют собой агрегаты железа в виде комплексных соединений, окруженных белком апоферритнном с молекулярной массой 480 тыс. Такой комплекс может содержать до 4,5 тыс. атомов железа. Если трансферрин сходен по своему значению с гемоглобином, то ферритин в этом отношении похож на миоглобин.

Итак, основное количество железа циркулирует в нашем организме, часть накапливается в ферритине, а совсем уж незначительное количество оседает в виде нерастворимых гранул белка гемосидерина. В ферритине и гемосидерине железо может храниться долго -- до тех пор, пока оно срочно не потребуется организму, например при потере крови. Тогда запасное железо используется для синтеза гемоглобина. Каким образом оно извлекается из запасных белков, пока точно не установлено. Как не установлен, по всей вероятности, еще целый ряд веществ, так или иначе связанных с железом нашего организма.

Микроорганизмы и окружающая среда. Физические факторы (концентрация солей)

В предыдущих главах были описаны различные микроорганизмы, сгруппированные по их физиологическим и биохимическим свойствам. Упоминалось и о местах обитания. Полученные сведения позволяют теперь рассмотреть отношения микроорганизмов с окружающей их средой. Мы остановимся сначала на основных понятиях и представлениях экологии. Эта наука изучает поведение организмов в их естественных местообитаниях, взаимоотношения их между собой и с окружающей средой. Первые следы жизни относятся к периоду более 3 млрд. лет назад; это были микроорганизмы, которые преобладали в биосфере Земли до периода около 0,5 млрд. лет назад. Таким образом, прокариоты не только стоят у истоков земной жизни, из них не только развилось все многообразие эукариотических форм, но они и после этого существовали всегда. Высшие формы жизни на протяжении своей эволюции никогда не были одиноки; их постоянно либо теснили, либо поддерживали вездесущие одноклеточные организмы. Среди современных высших форм жизни есть и такие, которые утвердились не только в борьбе с себе подобными, но и во взаимоотношениях с микроорганизмами. У многих организмов в процессе эволюции выработались терпимые, партнерские отношения - мутуалистический симбиоз. Микроорганизмы уже существовали, когда поверхность нашей планеты принимала свой нынешний вид; они уже присутствовали в то время, когда сдвигались континенты, создавались отложения толщиной в несколько тысяч метров, земная кора много раз опускалась и сминалась в складки, возникали залежи руд, угля, месторождения нефти и природного газа. Во многих из этих процессов активно участвовали микроорганизмы. На протяжении не менее чем 80% всего периода органической эволюции Земля была населена исключительно микроорганизмами. Если ископаемые остатки микробов находят редко, то данные сравнительной физиологии и биохимии служат достаточной опорой для классификации прокариот по типу метаболизма. Однако при чтении раздела об эволюции организмов следует учитывать то, что в этой области еще много пробелов и домыслов. ФИЗИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ

Минеральная вода Мертвого моря обладает высокой теплопроводностью и теплоемкостью. Таким образом, первый фактор воздействия - температурный. Основным местом приложения является кожа. Раздражение нервных рецепторов кожи вызывает разлитое торможение в коре головного мозга, т.е. снятие перенапряжения в результате психологических нагрузок, стресса и т.п. При интенсивном воздействии тепла во время принятия ванны усиливается теплоотдача путем потоотделения, что способствует процессам детоксикации организма. Кроме того, тепловое воздействие на мышцы способствует их расслаблению. В ванне с солью Мертвого моря столб воды высотой в 40-50 см оказывает давление в 1/5 атмосферы, что стимулирует функцию дыхания и кровообращения. На изменение температуры кожных покровов реагируют сосуды брюшных органов: повышение наружной температуры, сопровождаемое расширением сосудов кожи, приводит к сужению сосудов органов брюшной полости и наоборот. Исключение составляют почки: расширение сосудов кожи приводит к расширению сосудов почек. Для получения адекватной сосудистой реакции перед принятием ванны температура всех частей тела должна быть выровнена. Например, холодные ноги должны быть согреты в тазу или под струей горячей воды. В этом случае сосудистая реакция будет идти в нужном направлении и эффект от ванны будет положительным. Исходя из вышеизложенного, рекомендуется прием ванн с солями Мертвого моря при температуре воды 37-39 градусов, продолжительностью от 10 до 15 минут.

Превращение фосфора

Круговорот фосфора значительно проще углеродного и азотного. В основном состоит он из минерализации органического фосфора и перевода фосфорнокислых солей из менее растворимых в более растворимые соли (мобилизация фосфора). В теле животных и растений фосфор входит в состав белковых веществ (нуклеопротеидов) и некоторых липоидов (лецитинов). Этот фосфор после отмирания животных и растений при разложении гнилостными и другими микробами минерализуется и переходит в фосфорную кислоту, которая быстро связывается основаниями и переходит в труднорастворимые соли кальция, магния, железа, непригодные для питания растений. Далее перевод этих труднорастворимых солей в растворимые происходит в результате биохимических процессов, сопровождающихся кислотообразованием. Эти процессы производят кислотообразующие бактерии, именно нитрифицирующие, серобактерии, тионовые, аммонифицирующие, образующие большие количества углекислоты, особенно Вас. mycoides.

Труднорастворимая трехкальциевая соль переводится в легкорастворимую двухкальциевую фосфорную соль:

Са3(РО4)2+2СО2+2Н2О=2СаНРО4+Са(НСО3)2

Са3(РО4)2+4HNO3=Са(Н2РО4)2+2Ca(NO3)2,

которая и усваивается растениями.

В анаэробных условиях почвенные бактерии могут восстанавливать фосфорнокислые соли вплоть до фосфористого водорода при наличии органического вещества. При этом происходит потеря ценных фосфорнокислых солей. Лучшее средство против этого вредного процесса - хорошая аэрация почвы.

Аэробное разложение целлюлозы

Разложение целлюлозы в аэробных условиях. В хорошо аэрируемых почвах целлюлозу разлагают и используют аэробные микроорганизмы (грибы, миксобактерии и другие эубактерии), а в анаэробных условиях-в основном клостридии. В аэробных условиях значительная роль в разложении целлюлозы принадлежит грибам. Они в этом отношении эффективнее бактерий, особенно в кислых почвах и при разложении целлюлозы, инкрустированной лигнином (древесины). Большую роль играют в этом процессе представители двух родов -Fusarium и Chaetomium. Целлюлозу расщепляют также Aspergillus fumigatus, A. nidulans, Botrytis cinerea, Rhizoctonia solani, Trichoderma viride, Chaetomium globosum и Myrothecium verrucaria. Три последних вида служат тест-организмами для выявления распада целлюлозы, а также при испытании средств, применяемых для пропитки различных материалов с целью предохранить их от действия микроорганизмов, разлагающих целлюлозу. Грибы образуют целлюлазы, которые можно выделить из мицелия и из питательной среды. Cytophaga и Sporocytophaga- аэробные бактерии, разлагающие целлюлозу. Их легче всего выделить обычным методом накопительной культуры в жидких средах. Эти два рода, близкие к миксобактериям, включают много видов. Об использовании целлюлозы миксобактериями и об их первичном воздействии на нее мало что известно. У них не удалось обнаружить ни внеклеточной целлюлазы, ни каких-либо продуктов расщепления целлюлозы. Клетки этих бактерий тесно прилегают к волокнам целлюлозы, располагаясь параллельно оси волокна. По-видимому, они гидролизуют целлюлозу лишь при тесном контакте с волокном, и продукты гидролиза тотчас же поглощаются. На агаре с целлюлозой колонии Cytophaga никогда не бывают окружены прозрачной зоной, в которой находились бы продукты ферментативного расщепления целлюлозы.Кроме видов Cytophaga на целлюлозе могут расти миксо бактерии родов Polyangium, Sporangium и Archangium, образующие плодовые тела. Использовать целлюлозу как субстрат для роста могут и многие из тех аэробных бактерий, которые можно было бы назвать «всеядными». Некоторые из них используют целлюлозу, видимо, только в тех случаях, когда нет других источников углерода; синтез и выделение целлю-лаз у таких бактерий регулируются по типу катаболитной репрессии. Некоторые формы, сходные с Pseudomonas, раньше объединяли в группу Cellvibrio. Сейчас их описывают как Pseudomonas fluorescens var. cellulosa. Из коринеформных бактерий следует упомянуть Cellulomonas; эту бактерию предполагали даже использовать для получения белка из целлюлозы. Среди актиномицетов описано лишь немного целлюлозоразлагаю-щих видов: Micromonospora chalcea, Streptomyces cellulosae, Strepto-sporangium. Разложение целлюлозы в анаэробных условиях. В анаэробных условиях целлюлозу расщепляют чаще всего мезофильные и термофильные клостридии. Термофильный вид Clostridium thermocellum растет на простых синтетических средах, используя в качестве субстрата целлюлозу или целлобиозу, а в качестве источника азота-соли аммония; глюкозу и многие другие сахара эта бактерия не утилизирует. Продуктами сбраживания целлюлозы являются этанол, уксусная, муравьиная и молочная кислоты, молекулярный водород и С02. Вне клеток целлюлоза расщепляется, вероятно, только до целлобиозы. К сходным продуктам приводит сбраживание целлюлозы мезофильным видом Clostridium cellobioparum. Длинная палочка Bacillus dissolvens ведет себя подобно упомянутым выше видам Cytophaga: клетки этой бактерии тесно прилегают к волокнам целлюлозы и не выделяют в среду целлюлазы.

Дыхание -- это процесс, обеспечивающий метаболизм живых организмов из окружающей среды кислородом (О2) и отводящий в окружающую среду в газообразном состоянии некоторую часть продуктов метаболизма организма (СО2, H2O и др). Дыхание -- основная форма диссимиляции у человека, животных, растений и многих микроорганизмов. При дыхании богатые химической энергией вещества, принадлежащие организму, окисляются до бедных энергией конечных продуктов (диоксида углерода и воды), используя для этого молекулярный кислород.

Термин «анаэробы» ввел Луи Пастер, открывший в 1861 году бактерии маслянокислого брожения. Анаэробное дыхание -- совокупность биохимических реакций, протекающих в клетках живых организмов при использовании в качестве конечного акцептора протонов не кислорода, а других веществ (например, нитратов) и относится к процессам энергетического обмена (катаболизм, диссимиляция), которые характеризуются окислением углеводов, липидов и аминокислот до низкомолекулярных соединений.

Молочнокислое брожение - это анаэробное превращение сахара молочнокислыми бактериями с образованием молочной кислоты.

Спиртовое брожение -- химическая реакция брожения, осуществляемая дрожжами, в результате которой одна молекула глюкозы преобразуется в 2 молекулы этанола и в 2 молекулы углекислого газа.

Маслянокислое брожение - это процесс превращения сахара маслянокислыми бактериями в анаэробных условиях с образованием масляной кислоты, углекислого газа и водорода.

Нитрификация -- микробиологический процесс окисления аммиака до азотистой кислоты или её самой далее до азотной кислоты, что связано либо с получением энергии (хемосинтез, автотрофная нитрификация), либо с защитой от активных форм кислорода, образующихся при разложении пероксида водорода (гетеротрофная нитрификация).

Денитрификация (диссимиляционная нитратредукция) -- сумма микробиологических процессов восстановления нитратов до нитритов и далее до газообразных оксидов и молекулярного азота. В результате их азот возвращается в атмосферу и становится недоступным большинству организмов. Осуществляется только прокариотами (причём как бактериям, так и археями) в анаэробных условиях и связана с получением ими энергии.

Азотфиксация -- фиксация молекулярного атмосферного азота, диазотрофия. Процесс восстановления молекулы азота и включения её в состав своей биомассы прокариотными микроорганизмами. Важнейший источник азота в биологическом круговороте. В наземных экосистемах азотфиксаторы локализуются в основном в почве.

Стрептококки. Стрептококки представляют собой круглые, мелкие, расположенные цепочками различной длины, кокки. Нередко цепочки эти состоят из парных кокков -- дипло-стрептококков. Стрептококки окрашиваются по Граму. В мокроте они бывают при бронхите, абсцессе, гангрене легких. Патогенными считаются стрептококки, находящиеся среди лейкоцитов и внутри них.

Стафилококки. Круглые кокки различной величины, расположенные группами, а также единичные окрашиваются обычными красками и по Граму. Стафилококки часто встречаются внутри лейкоцитов. В мокроте наблюдаются часто одновременно стрептококками.

Тетракокки (micrococcus tetragenus). Имеют вид овальных или круглых различной величины кокков, расположенных по четыре и окруженных общей капсулой. Окрашиваются по Граму. В мокроте они наблюдаются при абсцессе и гангрене легких, бронхитах, а также в виде вторичной инфекции при туберкулезе, чаще при наличии каверн.

САРЦИНЫ (от лат. sarcina - связка, узел), шаровидные бактерии (кокки), образующие кубические пакетообразные скопления. Неподвижны; не патогенны.

БАЦИЛЛЫ (от латинского bacillum - палочка), палочковидные бактерии. В узком смысле бациллы - палочковидные бактерии, образующие внутриклеточные споры (покоящиеся формы, устойчивые к высоким температурам, радиации и другим неблагоприятным воздействиям). Некоторые бациллы вызывают болезни животных и человека, например сибирскую язву, столбняк.

Клостридии (лат. Clostridium) -- род грамположительных, облигатно анаэробных бактерий, способных продуцировать эндоспоры. Отдельные клетки -- удлинённые палочки, название рода происходит от греческого клптфед (веретено). Многие виды, которые были отнесены к клостридиям по этому морфологическому признаку, позже были реклассифицированы. Эндоспоры могут располагаться центрально, эксцентрально и терминально. Диаметр эндоспор часто превышают диаметр клетки.

Спириллы (новолатинское spirilla, уменьшительное от лат. spira, греч. speira -- изгиб, извив, виток) бактерии, имеющие форму спирально извитых или дугообразно изогнутых палочек. Размеры С. варьируют у разных видов в широких пределах: ширина от 0,6--0,8 до 2--3 мкм, длина от 1--3,2 до 30--50 мкм. С. не образуют спор, грамположительны, подвижны благодаря пучку жгутиков, расположенных на конце клетки. Существуют виды С., плохо растущие на лабораторных питательных средах; отдельные виды вообще не были выделены в чистой культуре. С. -- сапрофиты; обитают в пресных и солёных водоёмах, встречаются также в загнивающей стоячей воде, навозной жиже и содержимом кишечника животных.

Спирохеты (лат. Spirochaetales) -- порядок бактерий с длинными (3--500 мкм) и тонкими (0,1--1,5 мкм) спирально (греч. урейсб «завиток») закрученными (один и более виток спирали) клетками.

Актиномицеты (устар. лучистые грибки) -- бактерии, имеющие способность к формированию на некоторых стадиях развития ветвящегося мицелия (некоторые исследователи, подчёркивая бактериальную природу актиномицетов, называют их аналог грибного мицелия тонкими нитями) диаметром 0,4--1,5 мкм, которая проявляется у них в оптимальных для существования условиях. Имеют грамположительный тип клеточной стенки и высокое (60--75 %) содержание ГЦ пар в ДНК.

Микобактемрии (Mycobacteriaceae) -- семейство актиномицетов. Единственный род -- Mycobacterium. Некоторые представители рода Mycobacterium (напр. M. tuberculosis, M. leprae) патогенны для млекопитающих (см. туберкулёз, микобактериоз, лепра).

Силосование -- один из способов консервирования и хранения сочных кормов. Доброкачественный силос имеет приятный ароматный запах квашеных овощей и фруктов, светло-зеленый, желтовато-зеленый и буровато-зеленый цвет с кислотностью в пределах 3,9-4,2. Он является прекрасным компонентом рационов в зимне-стойловый период, охотно поедается животными.

сенажирование - обезвоживание зеленых растений с целью создания водного дефицита, препятствующего развитию нежелательных бактерий при хранении массы без доступа воздуха. В отличие от силосования, процессы брожения при приготовлении сенажа проходят заторможено, так как травы провяливаются в поле до влажности 45-55 %, в результате чего достигается так называемая физиологическая сухость массы.

Грамотрицательные бактерии (обозначаются Грам (-)) -- бактерии, которые, в отличие от грамположительных бактерий, обесцвечиваются при промывке при использовании метода окраски микроорганизмов по Граму. После обесцвечивания они обычно окрашиваются дополнительным красителем (фуксином) в розовый цвет.

ТЕРМОГЕНЕЗ - это выработка организмом тепла для поддержания постоянной температуры тела и обеспечения работы всех его систем, начиная от функционирования внутриклеточных процессов, и вплоть до обеспечения кровообращения, переваривания пищи, возможности двигаться и т.д..

Пастеризация -- процесс одноразового нагревания чаще всего жидких продуктов или веществ до 60 °C в течение 60 минут или при температуре 70--80 °C в течение 30 мин. Технология была открыта в середине XIX века французским микробиологом Луи Пастером. Применяется для обеззараживания пищевых продуктов, а также для продления срока их хранения.

Стерилизация (от лат. sterilis -- бесплодный) -- полное освобождение различных веществ, предметов, пищевых продуктов от живых микроорганизмов.

Грамположительные бактерии (обозначаются Грам (+)) -- бактерии, которые, в отличие от грамотрицательных бактерий, сохраняют окраску, не обесцвечиваются, при промывке при использовании окраски микроорганизмов по методу Грама.

Адгезия (от лат. adhaesio -- прилипание) в физике -- сцепление поверхностей разнородных твёрдых и/или жидких тел. Адгезия обусловлена межмолекулярным взаимодействием (вандерваальсовым, полярным, иногда -- образованием химических связей или взаимной диффузией) в поверхностном слое и характеризуется удельной работой, необходимой для разделения поверхностей. В некоторых случаях адгезия может оказаться сильнее, чем когезия, т. е. сцепление внутри однородного материала, в таких случаях при приложении разрывающего усилия происходит когезионный разрыв, т. е. разрыв в объёме менее прочного из соприкасающихся материалов.

Комменсализм (лат. con mensa -- буквально «у стола», «за одним столом») -- способ совместного существования двух разных видов живых организмов, при которых одна популяция извлекает пользу от взаимоотношения, а другая не получает ни пользы ни вреда (например, чешуйница обыкновенная и человек).

ФАГИЯ (от греч. phagos -- пожиратель), составная часть сложных слов, соответствующая по Значению словам поедающий, поглощающий.

Сателлизм -- усиление роста одного вида микроорганизма под влиянием другого микроорганизма. При совместном росте нескольких видов микробов их физиологические функции могут активироваться, что приводит к более быстрому воздействию на субстрат. Например, колонии дрожжей или сарцин, выделяя в питательную среду метаболиты, стимулируют рост вокруг их колоний некоторых других микроорганизмов.

Фитогормоны -- низкомолекулярные органические вещества, вырабатываемые растениями и имеющие регуляторные функции. Действующими являются низкие концентрации фитогормонов (до 10?11 М), при этом фитогормоны вызывают различные физиологические и морфологические изменения в чувствительных к их действию частях растений.

1. Формы микроорганизмов

2. Строение бактериальной клетки

3. Органы передвижения бактерий

4. Устройство микроскопа

5. Формы колоний

6. Профили колоний.

7. Край колоний

8. Цикл превращения азота

9. Цикл превращения фосфора

10. Цикл превращения серы

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.

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

В основе практически всех генетических исследований лежит понятие вариации . Это понятие включает в себя все типы изменений последовательностей ДНК (мутаций ), наблюдаемых на хромосомном или генном уровнях. С одной стороны, вариации генома служат объяснением межиндивидульного разнообразия, с другой, мутации могут приводить к патогенным изменениям жизнедеятельности организма, являясь, таким образом, причиной наследственного заболевания. Следует также ввести несколько терминов, использующихся для описания процесса мутационного изменения ДНК: локус - определенный участок хромосомы, содержащий специфические последовательности ДНК или гены, аллель - две или более альтернативных формы гена, расположенных в одном и том же локусе пары гомологичных хромосом. Если различие последовательности ДНК двух аллелей одного локуса наблюдается с частотой более 1% в общей популяции, то данный тип вариации обозначается полиморфизмом . Изменение последовательности ДНК, имеющее меньшую частоту, как правило, называется мутацией . Известно два основных вида мутаций, связанных с наследственной патологией: хромосомные (изменение числа и/или структуры хромосом в клетке) и генные (изменение последовательности ДНК в конкретном гене). Исходя из данной классификации, можно выделить направления генетических исследований нарушений последовательности ДНК, приводящих к наследственным заболеваниям, которые изучает медицинская генетика , а именно, поиск изменений последовательностей нуклеиновых кислот и белков на молекулярном уровне (молекулярная генетика ) и изучение изменений числа, структуры и организации хромосом(медицинская цитогенетика ).

Молекулярно-генетические исследования основаны на современных представлениях об особенностях молекулы ДНК и биохимических процессах транскрипции и трансляции. Основная их цель заключается в выявлении генных мутаций, приводящих к характерным фенотипическим проявлениям. Генные мутации представляют собой изменение расположения, потерю и приобретение ДНК относительно её линейной последовательности, обнаруживаемой в норме. Наиболее частые типы генных мутаций являются замена, потери и/или вставки одного нуклеотида. Последние обозначаются аббревиатурой SNP (single nucleotide polymorphsims) и являются одними из наиболее частых в геноме человека. В среднем, SNP, ведущие к вариации между аллелями у одного индивидуума, встречаются в каждых 1500 пар нуклеотидов. Однако, большинство из них расположены в некодирущих последовательностях и, в основном, не имеют фенотипических последствий. Если изменение последовательности ДНК происходит в гене, кодирующем белок, то оно с высокой долей вероятности будет связано с нарушениями жизнедеятельности организма. Существует следующая классификация генных мутаций:

Миссенс мутации - замена одного нуклеотида на другой или несинонимические изменения последовательности ДНК . Теоретически можно выделить два типа подобных мутаций: консервативные инеконсервативные . Консервативные миссенс мутации приводят к замене одного кодона на равнозначный (кодоны, кодирующие один и тот же аминокислотный остаток) или на кодон другого аминокислотного остатка, который не изменяет физико-химические свойства белка, кодированного соответствующим геном. Неконсервативные миссенс мутации, как правило, изменяют биохимические свойства белка и, следовательно, приводят к нарушению его функциональной активности.

Нонсенс мутации - изменения кодирующей последовательности ДНК, приводящие к образованию стоп-кодона, вследствие чего синтезируется белок, в котором отсутствует какая-то часть его последовательности.

Мутация сдвига рамки считывания - любые изменения последовательности ДНК гена (в основном, потери или вставки нуклеотидов), которые приводят к сдвигу считывания последовательности в ходе транскрипции. Результатом этого является синтез совершенно нового белка или образование матричной РНК, не несущей в себе никакой информации относительно аминокислотной последовательности.

Непатогенные изменения последовательности ДНК - вариации последовательности ДНК, включающие консервативные миссенс мутации, или так называемые синонимические мутации , которые не изменяют закодированную информацию в ДНК гена или не воздействуют на функциональную активность белковых макромолекул.

Мутации также происходят в некодирующих последовательностях ДНК (интронах). Данный тип вариаций, как правило, не имеет фенотипических последствий. Тем не менее, при сдвиге рамки считывания или образовании альтернативных форм белковых макромолекул (альтернативный сплайсинг ), эти вариации могут приводить к нарушению функциональной активности белковых макромолекул и, как следствие, фенотипическим последствиям. В данном контексте сложностью представляется идентификация патогенных мутаций, так как понятие «нормы» в медико-генетических исследованиях достаточно относительно, в силу того, что на молекулярном уровне геном человека является в значительной степени нестабильным. Иными словами, только рекуррентные мутации (наиболее частые повторные мутации, которые выявляются у индивидуумов с известным наследственным заболеванием) могут быть признаны патогенными. В случаях, когда обнаруживается новая мутация, возникает необходимость молекулярно-генетических исследований близких родственников пациента, чтобы определить является ли она причиной заболевания.

Хромосомные мутации (аномалии) связаны либо с различными структурными перестройками хромосом, либо с изменением их числа (n). Численные изменения в наборе хромосом (кариотипе ) могут быть двух типов: полиплоидии - умножение полного хромосомного набора (3n, 4n и т.д.), или генома, кратное гаплоидному числу хромосом (в литературе иногда обозначающиеся, как геномные мутации ); анеуплоидии - увеличение или уменьшение числа хромосом в наборе, некратное гаплоидному. Эти количественные изменения кариотипа обусловлены, как правило, нарушениями мейоза или митоза. Численные хромосомные аномалии в виде анеуплоидии делятся на моносомию (потерю хромосомы или её части - частичная моносомия) и трисомию или полисомию (приобретение одной/нескольких хромосом или её части - частичная трисомия). Данные изменения кариотипа связаны с комплексом врожденных пороков развития и, как правило, с заболеваниями, сопровождающимися умственной отсталостью, или тяжелыми психическими расстройствами. В настоящее время описаны случаи изменений хромосомного набора с участием половых хромосом и некоторых аутосом при шизофрении и аутизме. Например, до 5-15% детей с аутистическими расстройствами имеют хромосомные аномалии. Это позволяет рассматривать хромосомный дисбаланс в организме в качестве одной из возможных причин некоторых случаев психических болезней.

Структурные изменения могут затрагивать всю хромосому, а также сопровождаться изменением количества генетического материала в ядре или его перемещением. Сбалансированные хромосомные аномалии представляют собой перестройки, за счет которых возникают кариотипы с неизмененным набором генов, однако расположение их в пределах хромосом или между хромосомами отличается от нормального. В большинстве случаев носители сбалансированных хромосомных аномалий фенотипически нормальны, но для их потомства возникает большой риск иметь несбалансированный кариотип, но в отдельных случаях носители сбалансированного кариотипа могут иметь различные врожденные пороки и/или микроаномалии, а также нарушения нервно-психического развития. Если при структурных хромосомных мутациях наблюдается потеря или приобретение генетического материала, то они являются несбалансированными хромосомными аномалиями .

Цитогенетически структурные перестройки классифицируют по принципу линейной последовательности расположения генов: делеции (потеря хромосомных участков), дупликации (удвоение хромосомных участков), инверсии (перевертывание на 180° относительно нормальной последовательности хромосомных участков), инсерции (вставки хромосомных участков) и транслокации (изменение расположения хромосомных участков) хромосом.

Большое значение имеет изучение хромосомных мутаций, под действием факторов внешней среды. Показано, что хромосомы человека отличаются высокой чувствительностью к действию радиации и химических веществ, которые принято называть мутагенными факторами (мутагенами ). При анализе воздействия этих факторов следует различать нарушения в соматических и половых клетках. Первые затрагивают непосредственно жизнедеятельность исследуемого организма, тогда как вторые проявляются в последующих поколениях. Мутации хромосом в зародышевых клетках ведут к образованию аберрантных гамет, в результате которых возможны гибель зигот, эмбрионов на ранних стадиях внутриутробного развития, рождение детей со специфическими или неспецифическими хромосомными аномалиями, которые проявляются в виде определенной клинической картины или определенного фенотипа. Мутации хромосом в соматических клетках ведут к образованию неспецифичных хромосомных аномалий в виде хромосомных или хроматидных пробелов, разрывов, обменов в кариотипе, не ведущих к определенному фенотипу, характерному для определенного заболевания. Подобные мутации не наследуются. Следует отметить, что при изучении такого рода воздействия мутагенных факторов представляется возможным оценить качественно и количественно действие ионизирующей радиации, химических веществ, вирусов, но полученные данные не могут быть перенесены на половые клетки, результатом действия на которые являются хромосомные болезни у детей.

Хромосомные аномалии могут проявляться в так называемых мозаичных формах, к которым приводит неправильное деление клеток на различных стадиях эмбрионального и постнатального развития. Это позволяет разделить хромосомные аномалии на мозаичные и регулярные (аномальный кариотип наблюдается во всех клетках организма). Хромосомный мозаицизм представляет собой наличие нескольких популяций клеток с различным друг от друга хромосомным наборам. Как правило, при мозаичных формах хромосомных аномалий наблюдают отсутствие отдельных клинических признаков определенного хромосомного синдрома и более легкое течение заболевания, но некоторые симптомы практически всегда присутствуют. Мозаичные структурные хромосомные аномалии наблюдаются достаточно редко, поэтому, когда речь идет о мозаичных хромосомных аномалиях, имеются в виду, в основном, численные аномалии, мозаичные формы которых имеют достаточно высокую популяционную частоту. Следует также отметить феномен тканеспецифического хромосомного мозаицизма - клетки с аномальным хромосомным набором присутствуют только в определенной ткани организма.

В пятидесятых годах XX века ученые столкнулись со странным феноменом. Они обратили внимание на то, что некоторые вирусы по-разному заражают разные штаммы одной и той же бактерии. Некоторые штаммы - например, кишечной палочки - заражались легко и быстро распространяли инфекцию по колонии. Другие заражались очень медленно или вовсе были устойчивы к вирусам. Но однажды приспособившись к тому или иному штамму, в дальнейшем вирус заражал его уже без затруднений.

Биологам потребовалось два десятилетия, чтобы разобраться в такой избирательной устойчивости бактерий. Как выяснилось, способность определенных штаммов бактерий противостоять вирусам - ее назвали рестрикцией (то есть, «ограничением») - объясняется наличием у них специальных ферментов, физически разрезающих вирусную ДНК.

Особенность этих белков - ферментов рестрикции - в том, что они распознают небольшую и строго определенную последовательность ДНК. Бактерии «нацеливают» ферменты рестрикции на редкие последовательности, которых сами в своих генах избегают - но которые могут присутствовать в вирусной ДНК. Разные ферменты рестрикции опознают разные последовательности.

Каждый штамм бактерии имеет определенный арсенал таких ферментов и, таким образом, реагирует на определенный набор «слов» в геноме вируса. Если представить, что геном вируса - это фраза «мама мыла раму», то вирус не сможет заразить бактерию, опознающую слово «мама», но бактерия, нацеленная на слово «дядя», окажется беззащитной. Если же вирус сумеет мутировать и превратиться, скажем, в «баба мыла раму», то и первая бактерия потеряет свою защиту.

Почему открытие «бактериального иммунитета» оказалось на самом верху списка важнейших достижений молекулярной биологии? Дело не в самих бактериях и даже не в вирусах.

Отмерить кусочек ДНК

Ученые, описавшие этот механизм, почти сразу же обратили внимание на важнейшую деталь этого процесса. Ферменты рестрикции (точнее, один из типов этих ферментов) способны разрезать ДНК в четко определенной точке. Возвращаясь к нашей аналогии, фермент, нацеленный на слово «мама» в ДНК, связывается с этим словом и разрезает его, например, между третьей и четвертой буквой.

Таким образом, исследователи впервые получили возможность «вырезать» из геномов нужные им фрагменты ДНК. С помощью специальных «склеивающих» ферментов полученные фрагменты можно было сшивать - тоже в определенном порядке. С открытием ферментов рестрикции в руках ученых оказался весь необходимый инструментарий для «монтажа» ДНК. Со временем для обозначения этого процесса прижилась несколько другая метафора - генная инженерия.

Хотя сегодня существуют и другие методы работы с ДНК, подавляющее большинство биологических исследований последних двадцати-тридцати лет были бы невозможны без ферментов рестрикции. От трансгенных растений до генной терапии, от рекомбинантного инсулина до индуцированных стволовых клеток - любые работы, включающие генетические манипуляции, используют это «бактериальное оружие».

Знать врага в лицо

Иммунная система млекопитающих - в том числе человека - обладает как врожденными, так и приобретенными механизмами защиты. Врожденные компоненты иммунитета обычно реагируют на что-то общее, объединяющее сразу многих врагов организма. Например, врожденный иммунитет может распознавать компоненты клеточной стенки бактерий, одинаковые для тысяч разнообразных микробов.

Приобретенный же иммунитет полагается на явление иммунологической памяти. Он распознает конкретные компоненты конкретных патогенов, «запоминая» их на будущее. На этом основана вакцинация: иммунная система «тренируется» на убитом вирусе или бактерии, и в дальнейшем, при попадании в организм живого патогена, «узнает» его и уничтожает на месте.

Врожденный иммунитет - это пограничный пункт досмотра. Он защищает от всего сразу и при этом ни от чего конкретного. Приобретенный иммунитет - это снайпер, знающий врага в лицо. Как выяснилось в 2012-м году, нечто похожее есть и у бактерий.

Если рестрикция - это бактериальный аналог врожденного иммунитета, то роль приобретенного иммунитета у бактерий выполняет система с довольно громоздким названием CRISPR/Cas9, или «Криспер».

Суть работы «Криспера» заключается в следующем. Когда бактерия попадает под вирусную атаку, она копирует часть ДНК вируса в специальное место в собственном геноме (это «хранилище» информации о вирусах и называется CRISPR). На основе этих сохраненных «фотороботов» вируса бактерия затем изготавливает РНК-зонд, способный распознавать вирусные гены и связываться с ними, если вирус попытается снова заразить бактерию.

РНК-зонд сам по себе безобиден для вируса, но здесь в дело вступает еще один игрок: белок Cas9. Он представляет собой «ножницы», ответственные за разрушение вирусных генов - наподобие фермента рестрикции. Cas9 ухватывается за РНК-зонд и как бы на поводке доставляется к вирусной ДНК, после чего ему дается сигнал: резать здесь!

Итого, вся система состоит из трех бактериальных компонентов:

1) ДНК-хранилище «фотороботов» старых вирусов;

2) РНК-зонд, сделанный на основе этих «фотороботов» и способный опознать по ним вирус;

3) белковые «ножницы», привязанные к РНК-зонду и разрезающие вирусную ДНК ровно в той точке, с которой «фоторобот» был снят в прошлый раз.

Практически мгновенно после открытия этого «бактериального иммунитета» о бактериях и их вирусах все забыли. Научная литература взорвалась восторженными статьями о потенциале системы CRISPR/Cas9 как инструмента для генной инженерии и медицины будущего.

Как и в случае с ферментами рестрикции, система «Криспер» способна разрезать ДНК в строго определенной точке. Но по сравнению с «ножницами», открытыми в семидесятых, она обладает огромными преимуществами.

Ферменты рестрикции используются биологами для «монтажа» ДНК исключительно в пробирке: нужно сначала изготовить нужный фрагмент (например, модифицированный ген), и уже потом вводить его в клетку или организм. «Криспером» можно резать ДНК на месте, прямо в живой клетке. Это позволяет не просто изготавливать искусственно вводимые гены, но и «редактировать» целые геномы: например, удалять одни гены и вставлять вместо них новые. Совсем недавно о таком можно было только мечтать.

Как стало понятно за последний год, система CRISPR неприхотлива и может работать в любой клетке: не только бактериальной, но и мышиной или человеческой. «Установить» ее в нужную клетку довольно просто. Принципиально это можно делать даже на уровне целых тканей и организмов. В будущем это позволит целиком удалять из генома взрослого человека дефектные гены - например, вызывающие рак.

Допустим, присутствующая у вас в геноме фраза «мама мыла раму» вызывает в вас болезненную тягу к гендерным стереотипам. Чтобы избавиться от этой проблемы, вам нужен белок Cas9 - всегда один и тот же - и пара РНК-зондов, нацеленных на слова «мама» и «раму». Эти зонды могут быть любыми - современные методы позволяют синтезировать их за несколько часов. Ограничений по количеству вообще нет: «резать» геном можно хоть в тысяче точек одновременно.

Прицельная настройка организма

Но ценность «Криспера» не ограничивается «ножничной» функцией. Как отмечают многие авторы, эта система - первый известный нам инструмент, с помощью которого можно организовать «встречу» определенного белка, определенной РНК и определенной ДНК одновременно. Это само по себе открывает огромные возможности для науки и медицины.

Например, у белка Cas9 можно отключить «ножничную» функцию, а вместо этого привязать к нему другой белок - скажем, активатор гена. С помощью подходящего РНК-зонда получившуюся пару можно отправлять в нужную точку генома: например, к плохо работающему гену инсулина у некоторых диабетиков. Организуя таким образом встречу активирующего белка и выключенного гена, можно прицельно и тонко настраивать работу организма.

Привязывать можно не только активаторы, а вообще все что угодно - скажем, белок, способный заменить дефектный ген на его «резервную копию» с другой хромосомы. Таким образом в перспективе можно будет вылечить, например, болезнь Хантингтона. Главное достоинство системы CRISPR в данном случае - именно ее способность «отправлять экспедиции» к любой точке ДНК, которую мы можем запрограммировать без особых затруднений. В чем состоит задача каждой конкретной экспедиции - определяется только фантазией исследователей.

Сегодня сложно сказать, какие именно проблемы сумеет решить система CRISPR/Cas9 через несколько десятилетий. Мировое сообщество генетиков сейчас напоминает ребенка, которого пустили в огромный зал, до отказа забитый игрушками. Ведущий научный журнал Science недавно выпустил обзор последних достижений области под названием «The CRISPR Craze» - «Криспер-безумие». И все-таки уже сейчас очевидно: бактерии и фундаментальная наука в очередной раз подарили нам технологию, которая изменит мир.

В январе появились сообщения о рождении первых приматов, чей геном был успешно модифицирован системой CRISPR/Cas9. Мартышкам в качестве пробного эксперимента ввели мутации в два гена: один связанный с работой иммунной системы, а другой - ответственный за отложение жира, что непрозрачно намекает на возможное применение метода к homo sapiens. Возможно, решение проблемы ожирения методом генной инженерии - не такое уж далекое будущее.