Niepaństwowe rodzaje dziedziczenia

Znana jest dość duża liczba chorób dziedzicznych spowodowanych zmianami DNA, ale nie mają oni mendlowskiego charakteru dziedziczenia. Poniżej rozważymy dziedziczenie mitochondrialnego dziedziczenia i chorób mitochondrialnych, a także imprinting.

Mitochondrialne dziedziczenie i choroby mitochondrialne

Mitochondria są organellami komórkowymi. Mitochondria mają dwie wysoce wyspecjalizowane membrany - zewnętrzną i wewnętrzną, pierścieniową cząsteczkę DNA, a także własne systemy transkrypcji i translacji. Każda komórka zawiera kilkaset mitochondriów. Przeprowadzają szereg ważnych biochemicznych łańcuchów reakcji, z których szczególne znaczenie mają reakcje metabolizmu energetycznego komórki.

Jak już wspomniano, mitochondria mają swoje własne DNA, każde mitochondria zawiera 10 lub więcej cząsteczek DNA.Genom mitochondrialnego DNA( mgDNA) jest całkowicie odszyfrowany.

Zakłócenie interakcji między genomami mitochondrialnymi i jądrowymi powoduje różnorodne patologie mitochondrialne.

Ponieważ mtDNA jest zawarty w cytoplazmie komórek, jest dziedziczony tylko na linii matczynej. W cytoplazmie jajka znajdują się tysiące mitochondriów, aw konsekwencji dziesiątki tysięcy cząsteczek mtDNA.W tym samym czasie w plemniku Istnieje tylko kilka cząsteczek mtDNA, które nie wchodzą w zapłodnione komórki jajowe. Dlatego mężczyźni dziedziczą mtDNA od swoich matek, ale nie przekazują ich swoim potomkom. Ten rodzaj dziedziczenia nazywa się dziedziczeniem macierzyńskim lub dziedziczeniem macierzyńskim.

Zwykle wszystkie kopie mtDNA są identyczne, a ten stan nazywa się homoplazmą.Czasami mutacje występują w mtDNA.Z powodu niezbyt doskonałej pracy mitochondrialnej polimerazy DNA i systemów naprawczych, mutacje w mtDNA pojawiają się 10 razy częściej niż w jądrowym DNA.Pojawienie się mutacji w jednej z cząsteczek mtDNA może doprowadzić do pojawienia się dwóch populacji mtDNA w komórce, która jest nazywana heteroplazją.W wyniku podziału komórki mutant mtDNA wchodzi do innych komórek, gdzie nadal się namnaża.

Potrzeby energetyczne różnych tkanek ciała są różne. Najbardziej energochłonnym jest układ nerwowy. Właśnie dlatego na system ten wpływają przede wszystkim choroby mitochondrialne.

Klasyfikacja chorób mitochondrialnych opiera się na dwóch zasadach:

1) udział zmutowanego białka w reakcjach energetycznych fosforylacji oksydacyjnej;

2), czy zmutowany mtDNA lub jądrowy DNA jest kodowany.

klasy I chorób mitochondrialnych obejmuje atrofię dysków Lebera nerwów wzrokowych. Choroba objawia się ostrą lub podostrą utratą centralnego widzenia z powodu atrofii nerwów wzrokowych. Choroba może się rozpocząć zarówno w dzieciństwie, jak iw starszym wieku. U niektórych pacjentów zanik nerwów wzrokowych łączy się z objawami encefalomiopatii. Zanik nerwów wzrokowych Lebera spowodowany jest mutacjami w genach mtDNA kodujących podjednostki kompleksu I.

Zespół Leii( podostra martwicze zapalenie mózgu i rdzenia) należy do tej klasy. Zespół Leia występuje tylko wtedy, gdy zmutowane mtDNA stanowi co najmniej 90% całkowitego mtDNA.Jeżeli odsetek zmutowanego DNA jest niższy, pojawia się zespół neuropatii, ataksji i barwnikowego zapalenia siatkówki.

Zespół neuropatii, ataksji i dystrofii pigmentu siatkówki( NARP) może objawiać się zarówno w niemowlęctwie, jak i później, aż do drugiej dekady życia. Oprócz patologii zawartej w nazwie zespołu, pacjenci mogą cierpieć na demencję, drgawki, neuropatię motoryczno-czuciową i utratę słuchu.

mioklonia epilepsja i poszarpane czerwone włókien mięśniowych( MERRF), które objawia się padaczka, otępienie, ataksja i miopatia występuje w przypadku mutacji w genie tRNA.Zespół może przejawiać się w dzieciństwie i dorosłości. Oprócz tych objawów, gdy u pacjentów z zespołem MERRF czasem obserwowane odbiorczy utraty słuchu, otępienie, zanik nerwu wzrokowego, spastyczne porażenie mózgowe. Zwykle ten syndrom ujawnia wyraźną heteroplazmę, więc ekspresyjność tego zespołu zmienia się dramatycznie.

Kolejny zespół spowodowane przez tRNA genu zamiennych punkt - syndrom i mitochondrialne encephalomyopathies skoku epizody( MELAS).Ma również heteroplazję, w wyniku czego ekspresja tego zespołu jest bardzo różna. Główne objawy kliniczne obejmują encephalomyopathies, udar państw, zwykle przemijające, z funkcjami konserwatorskich, drgawki, ataksja, drgawki kloniczne mięśni, padaczkę, migrenę.

K choroby mitochondrialne spowodowane delecji lub duplikacji obejmują zespół Kearnsa-Sayre( miopatii, zaburzenia móżdżkowe i niewydolności serca), zespołu Pearsona( pancytopenię, kwasica mleczanowa i niewydolność trzustki), jak i postaci przewlekłej postępującej zewnętrznej oftalmoplegii, przejawia pominięciewiek. Upośledzona interakcji

pomiędzy genomów jądrowych oraz mitochondrialnych wyjaśnić zespół wyczerpania mtDNA i podział zespół mnogiego mtDNA.Oba te warunki są dziedziczone jako autosomalne dominujące objawy, dlatego prawdopodobnie przyczyną są mutacje genów jądrowych.

choroby mitochondrialne spowodowane mutacjami genów jądrowych, można podzielić na dwie grupy - i mitochondrialne miopatii, mitochondrialnej encephalomyopathies. Choroby te są dziedziczone jako Mendla cech, ale ze względu na brak enzymy należące do jednego z zespołów układu łańcucha mitochondriach. Imprintingu genomowego

są obecnie trzy znanej klasy wyjątków Mendelian zasady tożsamości hybrydy 1. generacji. Pierwszy wyjątek jest znany od dawna i związany jest z dziedziczeniem powiązanym z X.

sekund, tylko że wynagrodzenie dotyczy cech określonych przez genów mtDNA, które mają tzw dziedziczenie matek. Te dwie klasy odchyleń od dziedziczenia Mendla są oparte na różnicach w genetycznym wkładzie rodziców w genotyp potomstwa. W X-linked dziedziczenia potomstwa może dostać tylko chromosom X od matki, gdy ojciec lub z chromosomem X lub Y. Gdy mitochondrialnego zygoty dziedziczenie utworzona w wyniku fuzji komórek rozrodczych, a dostaje mitochondriów znajdujących się w ich mtDNA tylko poprzez jajo.

Ostatnio genetyki i embriologia opisano trzeci wyjątek - genomowego nadruk, przy czym oba rodzice przekazywany potomstwu absolutnie identyczne geny, ale te geny specyficzne rodzice nadruk płciowe, mieczu i matki geny aktywowane lub zahamowaniu( tłumione, zablokowany) w gametogenezy na różne sposoby. Dlatego w niektórych przypadkach ważne jest, od którego z rodziców gen jest dziedziczony.

Termin imprinting( imprint) został po raz pierwszy zaproponowany w 1960 roku przez Crouse of Columbia University w Stanach Zjednoczonych.

Genomowy odciskanie ma szczególne miejsce wśród poszczególnych mechanizmów regulacji aktywności genu we wczesnych stadiach rozwoju, co prowadzi do różnic w ekspresji homologicznych alleli ojców i matek. Kolejne modyfikacje genetyczne mogą prowadzić do tego, że zmiany w ekspresji genów będą stabilnie przenoszone podczas rozwoju generacji komórek. Genomowy nadruków na przykład mogą zmieniać dawki genów kontrolujących wzrost zarodków, proliferację i różnicowanie komórek.

przykład imprinting genomu człowieka jest prawdziwy ciąży molowy, który występuje, gdy zapłodnione jaja, pozbawione chromosomów matki, dwa plemników. Pomimo dostępności pełnego zestawu diploidalnych, wczesna embriogeneza z zygot trwa nienormalnie: tkanka zarodek sama nie tworzy. W przypadku podwójnego zestawu matczynych chromosomów rozwija się guz potworniowo-zarodkowy. Tylko genom matczyny lub tylko ojcowski nie jest w stanie zapewnić normalnego rozwoju zarodka.

w organizmicznego efektu wpajania poziom obserwowany w związku z obecnością fragmentów chromosomowych lub całych chromosomów pojedyncza( ojców, matki) lub pochodzenia - tzw uniparentalna disomii( OSA), a mianowicie jest jakościowy niż ilościowy równowagi chromosomów.

W ostatnich latach wpływ impendingu genomowego był intensywnie badany w związku z różnymi patologiami u ludzi. Przykłady chorób, które są oparte na funkcji zaburzenie nadrukiem regionów genomu, całkiem sporo, więc możemy mówić o specjalnej klasie chorób ludzkich - „imprintingu chorób”, których jest ponad 30.

dane najbardziej przekonujących uzyskane z zespołem Pradera-Williego( IPS) izespół Engelmana( SE), który, mając znacząco różne objawy kliniczne, zasadniczo ma podobne zmiany w cytogenetyce molekularnej. Beckwith-Wiedemanna

( SBV) dość dobrze zbadane pod względem nadruków i zespół mający następujące główne cechy: macrosomia, przerost języka, przepuklina pępowinowej, zwiększona podatność na nowotwory.

Związek między genomowym imprintingiem a inną ludzką dziedziczną patologią na poziomie chromosomów lub pojedynczych genów jest również dokładnie prześledzony i jest szeroko badany. Tak więc, na przykład w przypadku pląsawicy Huntingtona i ataksji chrząstki rdzeniowej, choroba występuje wcześniej i postępuje poważniej, jeśli odziedziczone geny są pochodzenia ojcowskiego. W neurofibromatozie, dystonii miotonicznej, przeciwnie, choroba ma wcześniejszy początek i ciężki przebieg z dziedziczeniem zmutowanych genów od matki. Nie ma wątpliwości co do implikacji imprintingu genomowego w etiologii wzrostu guza.

W ostatnich latach za pomocą molekularnych metod genetycznych zaobserwowano zjawisko imprintingu genomowego w chorobach wieloczynnikowych. Na przykład wyraźne odciśnięcie ojcowskie występuje w atopowym zapaleniu skóry, matczynym - z astmą oskrzelową i atopią u dzieci. W przypadku cukrzycy insulinozależnej stwierdzono większe prawdopodobieństwo odciśnięcia ojcostwa.

Inżynieria genetyczna

wyżej opisanych metod genetyki molekularnej, które są stosowane do identyfikacji genów Mendelian chorób dziedzicznych ludzi, takie metody są częścią międzynarodowego „Human Genome”.Poniżej rozważymy główne założenia inżynierii genetycznej i istotę projektu "Ludzki genom".

W lutym 2001 roku, równocześnie w dwóch czasopismach „Nature” i „Science”, przedstawił wyniki brulionu wszystkich, niezależnie od tego, ludzki genom otrzymał od siebie przez międzynarodowe konsorcjum projektu „Genomcheloveka”, a prywatna firma „Celera”, dla których projekt genomuosoba to przedsiębiorstwo komercyjne. Publikacje te, pomimo niekompletności projektu, są znaczącym osiągnięciem wszystkich nauk biologicznych i medycyny.

technologii rekombinacji DNA

Rzeczywiście, w czasie ogłoszeniu „Human Genome Project” utworzył się całkowicie nowy kierunek w genetyki molekularnej, która stała się znana jako „inżynierii genetycznej” lub „technologii rekombinacji DNA”.Te ostatnie można podzielić na dwa duże obszary: techniki klonowania DNA i metody analizy DNA, przede wszystkim określenie sekwencji nukleotydowej w cząsteczce DNA.

Klonowanie DNA Klonowanie DNA in vivo( w vivo) obejmuje 6 etapy: 1) otrzymywanie

fragmenty DNA obejmujące geny lub ich części, z enzymem restrykcyjnym;

2) rekombinacja fragmentów;

3) Wstawianie fragmentu DNA do wektora;

4) transformacja wektorem organizmu gospodarza;

5) badanie przesiewowe rekombinowanego wektora;

6) wybór interesujących badaczy klonów.

Pojęcie enzymów restrykcyjnych

W każdym ludzkim chromosomie jest tylko jedna ciągła nić DNA.Trudno jest spakować, aby zmieścić się w chromosomie. Praktycznie niemożliwe jest manipulowanie cząsteczką DNA o tej długości. Dlatego odkrycie w latach 70-tych. XX wiek.specjalne enzymy bakteryjne, które wycinają DNA na oddzielne fragmenty, były bardzo istotne. Enzymy zostały nazwane enzymami restrykcyjnymi lub endonukleazami. W bakteriach te enzymy służą do ochrony przed wejściem do komórki obcego DNA.

Rekombinacja fragmentów DNA

Restrykci wycinają obydwie nici DNA, które w rezultacie tworzą albo tępe, albo lepkie końce. DNA z jednego organizmu przecięto enzymem restrykcyjnym określonego w niektórych miejscach, więc ten DNA po restrykcyjnych( zwanego również trawienia) zawsze dają ten sam zestaw fragmentów. W przypadku zastosowania jednego rodzaju cięcia enzymu restrykcyjnego DNA z różnych organizmów, zestaw płytek będzie inny, ale sekwencja nukleotydów w dziedzinie będzie cięte na kawałki wszystkie te same, a więc wzajemnie komplementarne do powstawania fragmentów mają lepkie końce. Te ostatnie są nazywane lepkimi, ponieważ ze względu na ich komplementarność można je łączyć z innymi fragmentami utworzonymi przez ten sam enzym restrykcyjny lub inną endonukleazę restrykcyjną, która tworzy te same końce. Połączenie fragmentów z lepkimi, komplementarnymi końcami jest przyspieszane i stabilizowane przez specjalny enzym zwany ligazą.Tak więc, jeśli pojedynczy enzym restrykcyjny zostanie pocięty na DNA dwóch różnych gatunków i fragmentów mieszanych, wówczas może powstać zupełnie nowa cząsteczka rekombinowanego DNA, która nie istnieje w warunkach naturalnych.

Aby zbadać fragment DNA będący przedmiotem zainteresowania badacza, należy go pomnożyć.Można tego dokonać za pomocą dwóch różnych metod, przenosząc go do komórki gospodarza lub mnożąc go in vitro( in vitro).

Wprowadzenie fragmentów DNA do komórki gospodarza z wykorzystaniem wektorów

Aby przenieść fragment DNA do komórki gospodarza, powszechnie stosuje się specjalne konstrukty, które są nazywane wektorami. Najczęściej używanymi wektorami są substancje bakteryjne, bakteriofagi, sztuczne chromosomy bakteryjne i drożdżowe. Ostatnio zaproponowano użycie ludzkich sztucznych chromosomów jako wektorów.

Tworzenie bibliotek genomowych

Ograniczenie genomowego DNA do fragmentów i klonowanie fragmentów za pomocą różnych wektorów stworzyło podstawę do tworzenia bibliotek genomowych. W tym celu genomowy DNA jest cięty lub, jak to się mówi, trawiony określonym enzymem restrykcyjnym, a utworzone fragmenty klonuje się za pomocą różnych wektorów, dla których stosuje się metody rekombinacji DNA.Biblioteka genomowa powinna zawierać nie tylko geny, ale także wszystkie niekodujące DNA znajdujące się między genami. Ponieważ trawienie enzymem restrykcyjnym nie jest kompletne, powstają fragmenty DNA z częściowo zachodzącymi sekwencjami nukleotydowymi. Ułatwia to późniejsze odtworzenie wzoru umiejscowienia fragmentów w natywnym DNA( DNA w żywym ciele).Oprócz bibliotek genomowych istnieją biblioteki cDNA.

Klonowanie sekwencji DNA za pomocą reakcji łańcuchowej polimerazy( PCR)

Oprócz opisanej metody klonowania sekwencji DNA in vivo, istnieje również metoda klonowania in vitro, którą nazwano reakcją łańcuchową polimerazy( PCR).

Warunkiem przeprowadzenia PCR jest znajomość sekwencji nukleotydów, które determinują klonowaną sekwencję.W przypadku PCR należy wstępnie zsyntetyzować parę tak zwanych primerów, które są krótkimi sekwencjami nukleotydów komplementarnych do sekwencji replikowanych fragmentów DNA.

Po rozdzieleniu na dwie nici badanego fragmentu DNA substancje dodaje się do mieszaniny reakcyjnej, które są komplementarnie związane z odpowiadającymi jej sekcjami tych nici. Następnie następuje rozdział nowo utworzonych łańcuchów DNA za pomocą obróbki termicznej. Do nowo uformowanych nici fragmentu DNA, komplementarne nici są ponownie zakończone przy użyciu enzymu polimerazy DNA.

Można to powtórzyć w nieskończoność lub do momentu wyczerpania wolnych nukleotydów w mieszaninie reakcyjnej, ale zwykle 20-30 cykli wystarcza do uzyskania wystarczającej ilości DNA fragmentu badanego do jakiejkolwiek późniejszej manipulacji tym fragmentem.