Icke-statliga typer av arv

Ett ganska stort antal arveliga sjukdomar på grund av DNA-förändringar är kända, men de har inte den Mendeliska karaktären av arv. Nedan kommer vi att överväga mitokondriell arv av och mitokondriella sjukdomar, såväl som imprinting.

Mitokondriella arv och mitokondria sjukdomar

Mitokondrier är cellulära organeller. Mitokondrier har två högspecialiserade membraner - det yttre och inre, ring-DNA-molekylen, liksom deras egna system för transkription och översättning. Varje cell innehåller flera hundra mitokondrier. De utför ett antal viktiga biokemiska reaktionskedjor, varav reaktionerna i cellens energimetabolism är av särskild betydelse.

Som redan nämnts har mitokondrier sitt eget DNA, varje mitokondri innehåller 10 eller flera DNA-molekyler. Genomet av mitokondriellt DNA( mgDNA) är fullständigt dechiffrerat.

Störning av interaktionen mellan mitokondriella och nukleära genomerna orsakar en rad mitokondriella patologier.

Eftersom mtDNA finns i cytoplasman av celler är det endast arvet på moderlinjen. I ett äggs cytoplasma finns tusentals mitokondrier och därmed tiotusentals mtDNA-molekyler. Samtidigt i spermatzonen Det finns bara några få mtDNA-molekyler som inte faller in i det befruktade ägget. Därför ärar männen mtDNA från sina mammor, men överför dem inte till sina efterkommande. Denna typ av arv kallas maternal arv eller moder arv.

Normalt är alla kopior av mtDNA identiska, och detta tillstånd kallas homoplasm. Ibland uppstår mutationer i mtDNA.På grund av det inte mycket perfekta arbetet med mitokondriella DNA-polymeras och reparationssystem, uppträder mutationer i mtDNA 10 gånger oftare än i kärn-DNA.Utseendet av en mutation i en av mtDNA-molekylerna kan leda till framväxten av två populationer av mtDNA i cellen, som heter heteroplasi. Som ett resultat av celldelning går mutantmtDNA in i andra celler, där det fortsätter att föröka sig.

Energibehovet hos olika vävnader i kroppen är annorlunda. Den mest energiförbrukande är nervsystemet. Därför påverkas detta system främst av mitokondriala sjukdomar.

Klassificeringen av mitokondria sjukdomar baseras på två principer:

1) Inblandning av ett mutant protein i energireaktionerna av oxidativ fosforylering;

2) huruvida mutantmtDNA eller kärn-DNA kodas.

Klass I av mitokondria sjukdomar inkluderar atrofi av Lebers skivor i optiska nerver. Sjukdomen uppträder som akut eller subakut förlust av central vision på grund av atrofi hos de optiska nerverna. Sjukdomen kan börja både i barndomen och i ålderdom. Hos vissa patienter kombineras atrofien hos de optiska nerverna med symtomen på encefalomyopati. Lebers optisk atrofi orsakas av mutationer i mtDNA gener som kodar subenheter av komplex I.

Denna klass avser Leigh sjukdom( subakut nekrotiserande encephalomyelopathy).Leiasyndrom uppträder endast när mutantmtDNA är minst 90% av det totala mtDNA.Om andelen mutant DNA är lägre, visas ett syndrom av neuropati, ataxi och retinitpigmentosa.

syndrom neuropati, ataxi och pigment retinal dystrofi( NARP) kan manifesteras i barndomen och senare, tills den 2: a decennium av livet. Förutom den patologi som ingår i syndromets namn kan patienter få demens, anfall, motorisk sensorisk neuropati och hörselnedsättning.

Syndrome myoklonus epilepsi och trasiga röda muskelfibrer( MERRF), som manifesteras epilepsi, demens, ataxi, och myopati inträffar i fallet med en mutation i genen för tRNA.Syndromet kan manifesteras i barndom och vuxen ålder. Utöver dessa symtom när MERRF syndrom patienter ibland observerade sensorineural hörselnedsättning, demens, synnerven atrofi, spastisk diplegi. Vanligtvis uppvisar detta syndrom uttalad heteroplasm, så syndromets uttrycksförmåga varierar dramatiskt.

annan syndrom som orsakas av punkt ersättningsgenen tRNA - ett syndrom och mitokondriella encefalomyopatier stroke-episoder( MELAS).Han har också heteroplasma, och som ett resultat varierar syndromets uttrycksförmåga ganska mycket. Stora kliniska manifestationer inkluderar encefalomyopatier, stroke-tillstånd, vanligen övergående, med restaureringsfunktioner, kramper, ataxi, myoklonus, epilepsi, migrän.

K mitokondriella sjukdomar orsakade av deletioner eller dupliceringar inkluderar Kearns-Sayre syndrom( myopati, cerebellära störningar och hjärtsvikt), Pearson syndrom( pancytopeni, mjölksyraacidos, och pankreasinsufficiens), såväl som kronisk progressiv extern oftalmoplegi, manifesterad utelämnandetalet. Nedsatt

växelverkan mellan de nukleära och mitokondriella genomen förklara mtDNA utarmning syndrom och syndrom division multiple mtDNA.Båda dessa villkor ärvs som ett autosomalt dominant drag, så orsaken är förmodligen en kärn genmutationer.

mitokondriella andningskedjan sjukdomar orsakade av mutationer i nukleära gener kan grupperas i två grupper - och mitokondriella myopatier, mitokondriella encefalomyopatier. Dessa sjukdomar ärvs som Mendelian egenskaper men på grund av brist på enzymer som tillhör någon av komplexen av andningskedjan av mitokondrier. Genomic imprinting

finns för tillfället tre kända klass undantag Mendels regler identitet hybrider 1: a generationen. Det första undantaget har länge varit känt, och det är förenat med X-bunden nedärvning.

andra, endast att vederlaget avser egenskaper som bestäms av gener av mtDNA, som har en så kallad maternal arv. I hjärtat av dessa två klasser av avvikelse från Mendels arv finns skillnader i den genetiska bidrag föräldrar i genotypen hos avkomman. I X-bunden nedärvning hos avkomman kan bara få X-kromosom från modern, medan fadern eller från kromosomen X eller Y. När mitokondriella arv zygot bildas genom en sammanslagning av könsceller, och får en mitokondrier som finns i deras mtDNA bara genom ägget.

Nyligen, genetik och embryologi beskrivna tredje undantag - genetiska präglingen, där båda föräldrarna överförs till ättlingar absolut identiska gener, men dessa gener är specifika avtryck kön föräldrar, paternal och maternella gener aktiveras eller undertrycks( undertryckt, blockerade) under gametogenes på olika sätt. Således är det i vissa fall viktigt, från vilken ärvt genen från sina föräldrar.

termen "imprinting»( imprint - «mark») först föreslogs i 1960 Crows från Columbia University, USA.

Genomic imprinting har en speciell plats bland de specifika mekanismerna för reglering av genaktivitet i de tidiga stadierna av utveckling, vilket resulterar i skillnader i uttryck av homologa moderns och faderns alleler. Efterföljande genetisk modifiering kan leda till det faktum att förändringar i genuttryck kommer att stabilt överföras i utvecklingen av cellgenerationer. Genetiska präglingen, till exempel, kan ändra dosen av gener som kontrollerar embryotillväxt, cellproliferation och differentiering.

exempel prägling av ett genom hos en person är en sann molar graviditet, vilket inträffar när ett befruktat ägg, saknar matern kromosomer, två spermier. Trots att det finns en full uppsättning av diploida tar tidig embryogenes av zygoter onormalt: embryovävnad själv inte bildas. I fallet med en dubbel uppsättning av moderns kromosomer utvecklade teratom - embryonal tumör. Endast moderns eller endast fader genomet är oförmögen att säkerställa en normal utveckling av embryot.

på organismnivå imprinting effekt som observeras i samband med närvaro av kromosomala fragment eller hela kromosomer enstaka( paternal eller maternella) ursprung - den så kallade uniparental disomi( OSA), nämligen det finns en kvalitativ snarare än kvantitativ kromosom obalans.

Under de senaste åren undersökte intensivt effekten av den genetiska präglingen i samband med olika sjukdomar hos människor. Exempel på sjukdomar som är baserade på sjukdomen funktion präglade regioner i genomet, en hel del, så att vi kan tala om en speciell klass av mänskliga sjukdomar - "imprinting sjukdomar", som det finns mer än 30.

mest övertygande data som erhållits med Prader-Willis syndrom( IPS) ochEnzhelmena syndrom( SE), vilka, som har en väsentligt olika kliniska manifestationer, i princip har liknande molekyl cytogenetiska förändringar. Beckwith-Wiedemann

( SBV) ganska väl studerat i termer av prägling och syndrom som har följande huvudsakliga egenskaper: macrosomia, macroglossia, navel bråck, ökad mottaglighet för tumörer.

Sammansättningen av genomisk imprinting med annan human arvelig patologi vid kromosomnivå eller enskilda gener upptäcks också tydligt och studeras allmänt. Så till exempel förekommer Huntingtons korea och spinnomozzhechkovoy ataxi sjukdom tidigare och är allvarligare om generna ärvs fader ursprung. I neurofibromatos, myotonisk dystrofi, tvärtom har sjukdomen en tidigare inledning och en tung kurs med arv av mutanta gener från moderen. Det finns ingen tvekan om implikationen av genomisk imprinting i etiologin av tumörtillväxt.

Under senare år har fenomenet genomisk imprinting med hjälp av molekylära genetiska metoder observerats i multifaktoriella sjukdomar. Till exempel finns tydligt uttryckt faderns prägling i atopisk dermatit, mödrar - med astma och bröstcancer hos barn. Med insulinberoende diabetes mellitus hittades en högre sannolikhet för fadersättning.

GENETISK ENGINEERING

ovan beskrivna metoder för molekylär genetik, som används för att identifiera gener Mendelian ärvda humana sjukdomar, sådana metoder är en del av den internationella "Human Genome".Nedan kommer vi att överväga de viktigaste bestämmelserna i genteknik och kärnan i projektet "Human Genome".

I februari 2001, samtidigt i två tidskrifter, "Nature" och "Science", presenterade resultaten av utkast av allt, oavsett det mänskliga genomet som tas emot från varandra genom ett internationellt konsortium "Genomcheloveka" projektet och det privata företaget "Celera", som genomprojektetperson är ett kommersiellt företag. Dessa publikationer, trots projektets ofullständighet, är en betydande prestation av all biologisk vetenskap och medicin.

Rekombinant DNA-teknologi

Indeed, vid tidpunkten för offentliggörande av "Human Genome Project" bildades en helt ny trend i molekylär genetik, som blev känd som "genteknik" eller "rekombinant DNA-teknik".Den senare kan delas in i två stora områden: DNA-kloningsteknik och DNA-analysmetoder, i första hand bestämning av nukleotidsekvensen i DNA-molekylen.

DNA Cloning Kloning av DNA in vivo( in vivo) innefattar 6 steg:

1) att erhålla DNA-fragment, inklusive gener eller delar därav med ett restriktionsenzym;

2) rekombination av fragment;

3) Sätta in ett DNA-fragment i en vektor;

4) transformation med värdorganismerens vektor;

5) screening för den rekombinanta vektorn;

6) Urval av intressanta klonforskare.

Begreppet restriktionsenzymer

I varje mänsklig kromosom finns det bara en kontinuerlig DNA-sträng. Det är svårt att packa för att passa in i kromosomen. Det är praktiskt taget omöjligt att manipulera med en DNA-molekyl av denna längd. Därför upptäckten på 70-talet. XX-talet.speciella bakterieenzymer som skar DNA i separata fragment, var mycket relevanta. Enzymer har kallats restriktionsenzymer eller endonukleaser. I bakterier tjänar dessa enzymer att skydda mot inträdet i cellen av främmande DNA.

Rekombination av DNA-fragment

Restrictaser skär båda DNA-strängarna, vilket som resultat resulterar i antingen trubbiga eller klibbiga ändar. DNA från en organism klyvs med restriktionsenzymet specifika för vissa platser, så detta DNA efter restriktions( även kallad digestion) kommer alltid att ge samma uppsättning fragment. Om man använder en typ av restriktionsenzymskärning av DNA från olika organismer, kommer uppsättningen av plattor vara olika, men sekvensen av nukleotider på området kommer att skäras i bitar alla samma och, därför, komplementära till varandra i bildandet av fragment har klibbiga ändar. De senare kallas klibbiga eftersom de på grund av deras komplementaritet kan kombineras med andra fragment bildade av samma restriktionsenzym eller andra restriktionsendonukleas, vilka bildar samma ändar. Kombinationen av fragment med klibbiga komplementära ändar accelereras och stabiliseras av ett särskilt enzym som kallas ligas. Om ett enda restriktionsenzym skärs i DNA av två olika arter och blandade fragment kan sålunda en helt ny rekombinant DNA-molekyl, som inte existerar under naturliga förhållanden, bildas.

För att utforska ett DNA-fragment av intresse för en forskare, måste det multipliceras. Detta kan göras med två olika metoder, flytta den till värdcellen eller multiplicera den in vitro( in vitro).

introduktion av DNA-fragment i en värdcell via

vektorer för att flytta DNA-fragmentet i en värdcell använder typiskt speciella mönster, som kallas vektorer. De vanligaste vektorerna är bakterieämnen, bakteriofager, bakteriella och jästartade kromosomer. Nyligen har det föreslagits att använda humana artificiella kromosomer som vektorer. Skapa

genomiska bibliotek

Begränsning av de genomiska DNA-fragment och kloning av fragment med användning av olika vektorer låg till grund för bildandet av genomiska bibliotek. För detta ändamål genom-DNA skärs eller, säg, ett speciellt restriktionsenzym digererades och de resulterande fragmenten klonas genom olika vektorer som används för rekombinanta DNA-tekniker. Det genomiska biblioteket bör innehålla inte bara gener utan även allt icke-kodande DNA som ligger mellan generna. Eftersom matsmältningen med ett restriktionsenzym inte är fullständigt, så att DNA-fragment med delvis överlappande nukleotidsekvenser bildas. Detta underlättar efterföljande återställande av mönstret för placeringen av fragment i nativt DNA( DNA i den levande kroppen).Förutom genomiska bibliotek finns cDNA-bibliotek.

Kloning av DNA-sekvenser med användning av polymeraskedjereaktionen( PCR)

Vidare den beskrivna metoden för kloning av DNA-sekvenser in vivo, finns det också ett förfarande för in vitro-kloning, som kallas polymeraskedjereaktion( PCR).

En förutsättning för att utföra PCR är att känna till sekvensen av nukleotider som bestämmer den klonade sekvensen. För PCR måste först syntetisera ett par av så kallade primrar, som är korta nukleotidsekvens komplementär till DNA-fragmentet förökades.

Efter separation i två strängar av det studerade DNA-fragmentet tillsättes substanser till reaktionsblandningen som är komplementärt associerade med motsvarande sektioner av dessa strängar. Sedan följer separationen av de nybildade DNA-kedjorna med hjälp av en temperaturbehandling. Till de nybildade strängarna i DNA-fragmentet kompletteras komplementära strängar igen med användning av DNA-polymerasenzymet.

exempel kan upprepas obegränsat eller tills konsumtion av fria nukleotider i reaktionsblandningen, men vanligtvis 20-30 cykler tillräckligt för att mottaga en tillräcklig mängd av de undersökta DNA-fragment för varje efterföljande manipulation av detta fragment.