Значение генетики для медицины

На этой странице вы узнаете

• Что такое «царская болезнь»?
• Кто такие «сиамские близнецы»?
• Как вылечить врожденную слепоту?

Биотехнология CRISPR-Cas9 (генетики произносят как «гриспер») является революцией в молекулярной генетике. Эту технологию позаимствовали у бактерий. Генетики используют «молекулярные ножницы» с помощью которых производят удаления или корректирования мутантных генов. Каковы перспективы этой технологии? Какие еще используют медики технологии для корректировки нашей ДНК? В этой статье мы разберем новые технологии, которые применяются в медицине для диагностирования и лечения генетических заболеваний.

Медицинская генетика

Медицинская генетика — раздел генетики человека, изучающий роль наследственных факторов в развитии заболеваний.

Задачи медицинской генетики:

1. Установление связи между конкретным геном и конкретным заболеванием.
2. Нахождение способов воздействия на гены.
3. Изучение влияния внешних факторов на проявление генетических аномалий.
4. Изучение наследственности и изменчивости в различных человеческих популяциях, чтобы выявить особенности проявления и развития нормальных и патологических признаков.

Наследственные заболевания часто путают с заболеваниями врожденными, хотя это совершенно разные понятия. 

Врожденные заболевания вызываются внутриутробными повреждениями плода, обусловленными различными причинами — например, инфекцией, радиоактивным облучением или механическим воздействием. 

Врожденные заболевания не предопределены изначально, они не заложены в программе развития организма, а зависят от внешних факторов, но могут затрагивать генотип. Иначе говоря, если мать во время беременности не будет подвергаться факторам, вызывающим отклонения в развитии плода, то ребенок не родится с отклонениями от нормы. 

А вот наследственные заболевания проявляются вне зависимости от влияния среды. Они обусловлены нарушениями в генетическом аппарате клеток, передающимися по наследству, а не вызванными внешними факторами.

Почему наследственные болезни на бытовом уровне путают с врожденными? Потому что наследственные заболевания нередко диагностируются во внутриутробном периоде или при рождении.

Методы изучения генетики человека

Генеалогический метод — это построение родословных, или генеалогического древа, в которых графически с помощью определенных символов отражаются родственные связи между людьми. 

В основе метода лежит подсчет частоты проявления того или иного признака у разных родственников. С помощью этого метода можно установить тип и характер наследования признака.

Что такое «царская болезнь»? Гемофилией страдали представители царствующих династий, включая единственного сына российского императора Николая II — Алексея. Из-за этого ее прозвали «викторианской» (по имени королевы Виктории) или «царской» болезнью. Нарушение свертываемости крови приводит к тому, что любая рана заканчивается сильным кровотечением. Кроме того, возможны регулярные кровотечения внутри организма. Ежегодно 17 апреля отмечается Международный день борьбы с гемофилией.Сегодня в мире живет около 400 человек, носящих этот ген или болеющих гемофилией. К сожалению, лекарства на сегодняшний день так и не придумали. Но есть инъекции, которые помогают таким пациентам жить полноценной жизнью.

Близнецовый метод основан на сравнении степени изменчивости изучаемого признака между группами однояйцевых близнецов и разнояйцевых близнецов.

Естественная многоплодная беременность встречается редко, примерно 2—4%.

Рекордное число близнецов на одну беременность зарегистрировано в Бразилии, где в 1946 г. на свет одновременно появились два брата и восемь сестер.

Кто такие «сиамские близнецы»? Сиамские близнецы — это результат неудавшегося деления яйцеклетки. Последующее деление наступает через 14—15 дней после оплодотворения. Вероятность рождения сиамских близнецов составляет примерно один случай на 200 тыс. рождений, причем девочек рождается в три раза больше, чем мальчиков. По статистическим данным, половина сиамских близнецов рождаются мертвыми, выживает лишь 5—25% младенцев.

Популяционно-генетический метод основан на закономерностях наследования признаков (генов) в популяциях. 

Популяционно-генетический метод применяется для изучения частот встречаемости патологических генов в различных человеческих популяциях, отличающихся по своим географическим, расовым и этническим характеристикам. Он позволяет исследовать распространенность генетических заболеваний и прогнозировать проявление наследственной патологии в последующих поколениях.

Цитогенетический метод основан на изучении числа и структуры хромосом под микроскопом.

Этим методом выявляют хромосомные и геномные мутации, являющиеся причинами хромосомных болезней.

Молекулярно-генетический метод используется для изучения изменчивости и ее причин на молекулярном уровне при анализе последовательности нуклеотидов в ДНК.

Благодаря ПЦР (полимеразной цепной реакции) молекулярно-генетический метод можно использовать для биологической идентификации личности, для установления степени родства (например, отцовства), для диагностики наследственных генных и инфекционных болезней.

Сравнительно-генетический метод, или метод биологического моделирования, основан на законе гомологических рядов наследственной изменчивости. 

В нем используются лабораторные животные, на которых можно моделировать болезни человека, изучать их симптомы и варианты лечения. 

Так, на различных видах животных —  мыши, крысы, собаки, кошки, кролики, свиньи, крупный и мелкий рогатый скот и др. — созданы модели многих генных заболеваний человека. В частности, это гемофилии, фенилкетонурии (один из видов слабоумия), анемий, атеросклероза (отложения липидов на стенках кровеносных сосудов), гипертонии (повышенного артериального давления), ожирения, рака молочной железы и т.д.

Методы лечения наследственных заболеваний

• Метод CRISPR-Cas9 (от англ. clustered regularly interspaced short palindromic repeats — короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами).

При помощи ферментов-нуклеаз, играющих роль своеобразных «молекулярных ножниц», делаются разрезы двуцепочечной молекулы ДНК на определенном участке для того, чтобы заменить ген, вызвавший заболевание, искусственно созданным фрагментом. Как портной вырезает заготовки для будущих изделий. 

За создание новых технологий, позволяющих проводить с помощью CRISPR-Cas9 (CRISPR associated protein 9) редактирование генома Эмманюэль Шарпантье и Дженнифер Даудна получили Нобелевскую премию по химии 2020 года.

Вызывает удивление тот факт, что из-за патентных ограничений технология редактирования с помощью Cas9 доступна не ученым всего мира, а только владельцам патента. Это препятствует прогрессу науки, разработке лекарств для людей, живущих с серьезными заболеваниями.

В ноябре 2017 года в США был впервые опробован метод изменения генома непосредственно в организме пациента с болезнью Хантера (нарушением обменных процессов в соединительной ткани.)

• Но можно не вырезать фрагмент, а просто «выключить» его посредством метилирования ДНК. 

Модификация молекулы ДНК без изменения ее нуклеотидной последовательности технически удобнее, чем нарезка фрагментов при помощи эндонуклеаз. А также безопаснее, потому что в любом мутационном процессе все же присутствует фактор случайности, который обязательно приходится принимать во внимание и как-то подстраховываться, усложняя процедуру. 

Метилирование ДНК можно сравнить с нажатием на кнопку выключателя. Никакого случайного фактора здесь быть не может, главное — не перепутать «выключатели», нажать на нужную кнопку.

• Метод терапевтического клонирования клеток пациента. 

При терапевтическом клонировании ядра соматических клеток пациента пересаживаются в лишенные собственных ядер «чужие» яйцеклетки, которым позволяют делиться до так называемой бластоцисты, ранней стадии развития эмбриона. 

Целью описанной процедуры является получение стволовых клеток, генетически совместимых с организмом пациента.

Стволовые клетки — это маленькие волшебники, обладающие способностью к превращениям.

У пациента тяжелое поражение нервной системы, вызванное разрушением или перерождением нейронов? Из стволовых клеток пациента вырастут новые нейроны, причем полностью совместимые с его организмом, не какие-нибудь чужие, донорские, а свои собственные. Пациенту не придется всю оставшуюся жизнь принимать препараты, подавляющие иммунитет, чтобы предотвратить отторжение пересаженного органа.

Как вылечить врожденную слепоту? С помощью генной терапии возможно вылечить слепоту, а именно починить ген, который ее вызвал. В нашей стране эту технологию впервые применили совсем недавно. Врачи вводят лекарство в сетчатку. В лекарстве находится вирус, в котором есть нужные гены и они начинают чинить геном.

Методы, применяемые медицинскими генетиками, кроме показаний, имеют противопоказания, а кроме терапевтического эффекта, могут оказывать нежелательные побочные действия. 

Например, если терапевтическая рекомбинация генов проводится на участках, содержащих гены, способные вызвать развитие онкологических заболеваний, то попутно с получением направленной лечебной мутации существует риск запуска процесса неконтролируемого деления клеток.

Вредное влияние мутагенов, алкоголя, наркотиков, никотина на генетический аппарат клетки. Защита среды от загрязнения мутагенами

Мутагены — вещества, вызывающие изменения в структуре ДНК.

Типы мутагенов	Примеры	Их влияние в больших дозах
Физические	— ионизирующие излучение; — УФ — излучение; — высокая температура.	Разрушение эпидермиса; разрушение сетчатки глаз; перестройка хромосом.
Химические	— алкоголь; — никотин; — колхицин; — пестициды; — продукты переработки нефти; — лекарственные препараты.	Приводят к появлению различных мутаций.
Биологические	— вирусы (краснуха, корь, грипп); — паразиты невирусной природы (риккетсии, микоплазмы, бактерии).	Провоцируют появление генных мутаций.

На сегодняшний день мерами защиты человеческого организма и природы от вредных мутагенных воздействий являются:

1. Изъятие с последующей нейтрализацией мутагенных факторов.
2. Создание в промышленности безотходных технологий с замкнутыми циклами производства.
3. Прохождение тестирования на наличие мутагенных свойств пестицидами и фармацевтическими препаратами.
4. Выведение устойчивых сортов растений, способных произрастать без применения средств химзащиты.
5. Применение в сельском хозяйстве биологических средств защиты вместо химических.

С целью снижения темпов мутационного процесса в природе и человеческом организме принято решение применять антимутагены. 

Антимутагены — это вещества, нейтрализующие или ослабляющие воздействие мутагенов. 

Виды антимутагенов:

1. витамины (С, А, Е) и провитамины (вещества, которые потом в организме превращаются в витамины);
2. отдельные аминокислоты (катехин, содержащийся в зеленом чае);
3. ферменты;
4. отдельные фармакологические вещества (таниновая кислота).

Выявление источников мутагенов в окружающей среде (косвенно) и оценка возможных последствий их влияния на собственный организм

Виды загрязнений	Как определить	Возможные последствия для организма
Загрязнение атмосферы	— угнетается рост растительности вдоль автодорог; — быстрое образование пыли; — проявление неприятного запаха.	Проявляются генные мутации.
Электромагнитное загрязнение	Усиление либо угнетение роста растительности в районе высоковольтных линий.	Угнетающе воздействует на иммунитет, сердце, кровеносные сосуды, эндокринные железы и нервную систему человека.
Химическое загрязнение	Деградация почвы и растительности, засоленность почвы.	Увеличение раковых заболеваний, заболеваний сердечно-сосудистой системы, аллергия.
Загрязнение почвы	Дождевой червь — он исчезает при увеличении степени загрязнения.	Проявление уродств, изменение видового состава флоры, нарушается рост и развитие растений.

Фактчек

• Медицинская генетика — раздел генетики человека, изучающий роль наследственных факторов в развитии заболеваний.
• Врожденные заболевания не предопределены изначально, они не заложены в программе развития организма, а зависят от внешних факторов.
• Наследственные заболевания проявляются вне зависимости от влияния среды, поскольку они обусловлены нарушениями в генетическом аппарате клеток, а не внешними факторами.
• Методы изучения генетики человека: генеалогический, цитологический, близнецовый, популяционно-генетический, молекулярно-генетический, сравнительно-генетический.
• Методы лечения наследственных заболеваний: метод CRISPR-Cas9, терапевтическое клонирование стволовых клеток, метилирование ДНК. 
• Мутагены бывают физические, химические, биологические.

Проверь себя

Задание 1.
Что можно выяснить с помощью генеалогического метода?

1. характер изменения генов
2. влияние воспитания на развитие психических особенностей человека
3. закономерности наследования признаков у человека
4. характер изменения хромосом

Задание 2.
Как называется метод, при котором с помощью молекулярных ножниц вырезаются гены, отвечающие за проявление болезни?

1. метилирование ДНК
2. генеалогический метод
3. метод терапевтического клонирования стволовых клеток
4. метод CRISPR-Cas9

Задание 3.
Какой метод должны использовать генетики при изучении длины хромосомы?

1. цитогенетический
2. молекулярно-генетический
3. генеалогический
4. близнецовый 

Задание 4.
С помощью какого метода выявляется влияние генотипа и среды на развитие ребенка?

1. цитогенетического
2. генеалогического
3. близнецового 
4. молекулярно-генетического

Ответы: 1. — 3; 2. — 4; 3. — 1; 4. — 3.