Молекулярная биология гена. Введение. Успехи молекулярной биологии гена и геномики вчера, сегодня и завтра

1.

Молекулярная биология гена
Наталья Павловна Максимова
зав. кафедрой генетики, д.б.н., профессор
Курс лекций 40 часов

2.

Лекция 1
Введение. Успехи молекулярной биологии гена и геномики вчера,
сегодня и завтра.

3.

Список литературы:
1. Коничев А.С., Севастьянова Г.А. Молекулярная биология. М., 2005, 397 с.
2. Люин Б. Гены. М.:Изд. Бином. 2012, 896 с.
3. Проблемы и перспективы молекулярной генетики: В 2-х т. Том 2 / Отв. ред.
Е.Д. Свердлов. – М.: Наука, Т. 1. 2003–2004. Т.2. – 2004. – 330 с.
4. Сингер М., Берг П. Гены и геномы. В 2-х т.: Мир. Т.1.–373 с.; Т.2. –391 с.1998 г.
5. Мушкамбаров Н.Н. Молекулярная биология: Учеб. пособ. для студ. мед.
ВУЗов / Н.Н. Мушкамбаров, С.Л. Кузнецов. – М.: ООО "Медицинское
информационное агенство", 2003. – 544 с.
6. Албертс Д., Брей Д., Льюис Дж., Рэфф М., Роберт К., Уотсон Дж.
Молекулярная биология клетки: В 4 т. ,1994.
7. Стент Г., Кэлиндар Р. Молекулярная генетика. М: Мир., 1981. – 646 с.
8. Молекулярная биология. Структура и биосинтез нуклеиновых кислот / Под
ред. А.С. Спирина. М.; Высшая школа. 1990. – 352 с.
9. Бокуть С.Б., Герасимович Н.В., Милютин А.А. Молекулярная биология:
молекулярные механизмы хранениия, воспроизведения и реализации
генетической информации: Мн.:Высш. шк., 2005.

4.

Дополнительная литература:
1. В.А.Гвоздев. Механизмы регуляции активности генов в процессе транскрипции.
СОЖ .1996. №1
2. Ратнер В.А. Генетика, молекулярная кибернетика: личности и проблемы. Новосибирск: Наука, 2002. 272 c. http://lib.walla.ru/djvu/dbp45.zip
3. Ратнер В.А. Хроника великого открытия: идеи и лица // Природа. 1998. № 4. С. 68-79.
http://vivovoco.rsl.ru/VV/PAPERS/NATURE/GENECODE.HTM
4. Ратнер В.А. Хроника великого открытия: идеи и лица // Природа. 2000. № 6. С. 22-30.
http://vivovoco.astronet.ru/VV/JOURNAL/NATURE/06_00/CODE/CODE.HTM
5. Ратнер В.А. Генетический код как система // Соросовский образовательный журнал.
2000. Т. 6. № 3. С. 17-22. http://www.pereplet.ru/nauka/Soros/pdf/0003_017.pdf
6..Спирин А.С. Биосинтез белка: инициация трансляции. СОЖ .1999. №5
7. Овчинников Л.П.. Что и как закодировано в мРНК. СОЖ .1998. №4
8. Инге-Вечтомов С.Г.. Трансляция как способ существования живых систем, или в чем
смысл «бессмысленных» кодонов. СОЖ. 1996. №12
9. Фаворова О.О. Строение транспортных РНК и их функция на первом
(предрибосомном) этапе биосинтеза белков. СОЖ. 1998. №11
10. Сойфер В.Н.Репарация генетических повреждений. СОЖ. 1997. №8
11. Гвоздев В.А.Подвижная ДНК эукариот. Часть 1. структура, механизмы перемещения
и роль подвижных элементов в поддержании целостности хромосом. СОЖ. 1998. №8
12. Гвоздев В.А. Подвижная ДНК эукариот. Часть 2. Роль в регуляции активности генов
и эволюции генома . СОЖ. 1998. №8
13. Дымшиц Г.М. Нерадиоактивно меченые олиго- и полинуклеотидные зонды –
инструмент изучения структуры генома и диагностики. СОЖ. т.7, №9, 2001
14. Лещинская И.Б.Генетическая инженерия. СОЖ . 1996. №1
15. Янковский Н.К.Молекулярно-генетические методы в руках детектива, или опыт
исследования останков семьи последнего российского императора . СОЖ. 1996.

5.

Интернет-источники
Колесникова Т.Д. Подборка литературы для самостоятельного чтения и выполнения
домашних заданий: http://engrailed.narod.ru/molbiol/
http://www.biotechnolog.ru – молекулярная биология и биотехнология;
http://www.molbiol.edu.ru – практическая молекулярная биология;
http://www.rusbiotech.ru – молекулярная биология и биотехнология;
http://www.sci-lib.com – наука, новости науки и техники для студентов;
http://www.molbiologysite.narod.ru/presentation.html - презентации к курсу «Молекулярная
биология»;
http://www.bio-cat.ru – биологический каталог;
http://www.molbiol.ru – журнал «Молекулярная биология»;
http://www.elementy.ru/genbio/molecular - журнал общей биологии;
http://www.geneforum.ru – генетический форум;
http://www.eimb.relarn.ru – институт молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта РАН
http://www.protein.bio.msu.ru/biokhimiya/index.htm - каталог научно-образовательных ресурсов
МГУ;
http://www.tusearch.blogspot.com – поиск электронных книг, публикаций, ГОСтов, на сайтах
научных библиотек. В поисковой системе отобраны наилучшие библиотеки, в большинстве
которых можно скатить материалы в полном объеме без регистрации;
http://www.elibrary.ru/defaultx.asp - научная электронная библиотека;
http://www.sci-lib.com – наука, новости науки и техники для студентов;
http://www.biomolecula.ru – наука, новости;
http://elementy.ru/genbio/molecular - журнал общей биологии;
http://www.pereplet.ru – cайт Соросовского образовательного журнала;

6.

Молекулярная биология – это комплексная
наука, изучающая свойства и проявления жизни
на молекулярном уровне
Термин молекулярная биология был введен
Уильямом Астбери в 1938 году, а использован
Френсисом Криком в 1953 году для объяснения, чем он
занимается
Молекулярная биология гена – это наука,
занимающаяся исследованием структурнофункциональной организации генетического
аппарата клеток и механизмов реализации
наследственной информации

7.

Генетический аппарат клетки - это совокупность
ДНК-содержащих органелл, обеспечивающих хранение,
передачу и реализацию генетической информации.
Генетический аппарат эукариотической клетки
представлен хромосомами и внеядерными генетическими
элементами – хлоропластами и митохондриями.
Генетический аппарат прокариотической клетки
представлен бактериальной хромосомой (нуклеоидом) и
плазмидами.
Генетический аппарат вирусов – это совокупность
входящих в состав вирусной частицы молекул ДНК или
РНК, обеспечивающих хранение, передачу и реализацию
генетической информации.
Генетический аппарат представляет собой совокупность генов организма, т.е. его геном.

8.

Что мы знали вчера о своем
геноме?

9. Геном человека

В любой соматической клетке человека
23 пары хромосом.
В каждой из них по одной молекуле ДНК.
Длина всех 46-и молекул почти 2 метра.
У взрослого человека примерно 1014 клеток, так что общая длина молекул
ДНК в организме примерно 2х1011 км (почти в тысячу раз больше расстояния
от Земли до Солнца).
В молекулах ДНК одной клетки человека 3,4 млрд пар нуклеотидов.
Сколько же всего генов, то есть последовательностей нуклеотидов,
кодирующих белки, в ДНК человека?
В 1990 г. полагали, что около 100 тыс., затем решили, что не более 80 тыс.
В конце 1998 г. пришли к выводу, что в геноме человека 50-60 тыс. генов.
По последним данным – генов у человека примерно 20-23 тыс.
На их долю приходится только 1,5-2% от общего количества ДНК.
Остальная ДНК – некодирующая – «мусорная».

10.

11.

нуклеотид
фосфат
к 5 атому С
к 1 атому С
Азотистое
основание
пентоза
Атомы углерода в
пентозе нумеруются
по часовой стрелке
С1’, C2’, C3’, C4’ и C5’.
ОН-группа в положении С3’
служит для образования
фосфодиэфирной связи с
другим нуклеотидом

12.

Нуклеиновые кислоты – ДНК и РНК
(состоят из нуклеотидов, соединенных
фосфодиэфирными связями)
Азотистое
основание
Фосфат
Пентоза
Нуклеотид

13.

Азотистые основания образуют
между собой водородные связи
согласно принципа
комплементарности

14.

15.

Особенности химического строения ДНК
сделали возможным протекание ряда
процессов с ее участием. Это:
• Репликация (самоудвоение ДНК)
• Рекомбинация (обмен участками между
молекулами ДНК)
• Репарация (самовосстановление ДНК)
• Транскрипция (синтез РНК на ДНК)
• Обратная транскрипция (синтез ДНК на
РНК – у некоторых вирусов)
• Мутирование (изменение строения ДНК)

16. Что мы узнали сегодня о свем геноме:

17.

В геноме у человека нашли
четырехцепочечные структуры ДНК
Ровно через 60 лет после открытия структуры ДНК
Уотсоном и Криком обнаружена еще одна ее форма.
Помимо известной двухцепочечной ДНК в человеческих
клетках найдена четырехцепочечная. Исследование
эпохально само по себе, но ученые рассчитывают в
дальнейшем использовать его результаты для
разработки новых методов терапии рака.
«Четырехцепочечная» G-ДНК формируется за счет
взаимодействий между четырьмя остатками гуанина,
удерживающих структуру почти в квадратной форме.
Ее существование было подтверждено методом
рентгеновской кристаллографии.
Она встречается в различных опухолевых клетках
и, видимо, является промежуточной структурой,
появляясь в теломерах - концевых участках
хромосом — непосредственно перед делением
клетки.
Исследователи надеются, что дальнейшее изучение этой структуры может рано или
поздно привести к созданию лекарств или других терапевтических методик,
специфичных в отношении раковых опухолей.

18.

Ученые выявили новый тип
клеточной ДНК
Ученые выявили в клетках мышей и человека новый тип
кольцевой нехромосомной ДНК, имеющей в составе от 200
до 400 пар оснований. Результаты проведенной ими
работы опубликованы в последнем номере журнала Science.
Обычно ДНК в клетках организована в хромосомы.
Для обнаружения нехромосомной ДНК исследователи
использовали специальные ферменты, разрушающие
ДНК с незащищенных концевых участков молекул. С
помощью этого способа из препарата производилось
удаление только ДНК, которая находилась в линейной
форме (т.е. в хромосомах). ДНК, находящаяся в
кольцевой форме, не затрагивалась.
После этого исследователи проводили определение состава и
последовательности обнаруженных кольцевых молекул, которым они дали
название микроДНК.
Оказалось, что выявленная микроДНК является результатом делеции (или
иными словами вырезания) небольших участков генома, содержащих как гены,
так и участки, которые влияют на работу генов.

19.

Началось детальное исследование "мусорной ДНК"
Большая часть человеческого генома представлена так называемым "мусорным
ДНК" - свободными участками ДНК, которые не кодируют какие либо признаки
человека. Последние исследования международной научной группы показали, что
существенная часть этого материала образована ДНК различных вирусов.
Установлено, что 8% генетического материала человека — от вирусов. Было
известно, что из них - 1% человеческого генома представлен эндогенными
ретровирусами.
Недавно было показано, что в геноме людей и других млекопитающих содержится ДНК,
появившееся в результате вставки борнавируса (это РНК содержащий вирус, чья
репликация и транскрипция происходит внутри ядра).
Ассимиляция вирусных последовательностей в геноме хозяина называется эндогенизацией. Это
происходит когда вирусная ДНК встраивается в хромосомы репродуктивных клеток и
последовательно передается от родителей детям. Ранее единственными вирусами, способными
создавать эндогенные копии себя в позвоночных, считались ретровирусы. Но ученым удалось
обнаружить множественную эндогенизацию борнавируса (не являющегося ретровирусом) в
млекопитающих в процессе эволюции.
При попадании в организм человека он вызывает заболевание называемое болезнью
Борна. Вирус поражает только нейроны головного мозга, создавая перманентный очаг
инфекции в голове носителя. Тайваньские генетики показали, что в семьях людей,
пораженных вирусом Борна, велик процент больных шизофренией и другими
психическими расстройствами. Кроме того, генетики обнаружили механизм, позволяющий
этим РНК-элементам вируса Борна внедряться в хромосомы человека, перенесшего это
заболевание, что ведет к последующим мутациям нервной клетки и провоцирует
появление психических отклонений в последующих поколениях.

20. Ученые обнаружили смысл в "мусорной" ДНК человека

Ученые обнаружили смысл в "мусорной" ДНК человека
Ученым удалось выяснить, что
«некодирующая часть генома», считавшаяся
«мусором», на самом деле регулирует
активность «рабочих» генов, определяя
спецификацию клеток в ходе развития
организма, регуляцию работы генов в ходе
жизнедеятельности, а также возникновение
наследственных болезней и раковых
опухолей.
Главную роль в регуляции этого типа играют малые РНК, считываемые
с участков ДНК, находящихся в некодирующей части генома («мусорной
ДНК»), которые считываются (транскрибируются) с образованием
коротких молекул РНК (19-25 нуклеотидов). Эти РНК получили название
микроРНК.
Важность открытия этого нового механизма регуляции
активности генов так велика, что оно было названо
«малой РНК - революцией» (small RNA revolution).

21.

Хотя функции микроРНК весьма разнообразны, основная их роль
состоит в участии в процессах РНК-интерференции, благодаря
которым в цитоплазме клетки регулируется активность механизма
трансляции разных белков через воздействие на соответствующие
м-РНК. Благодаря вмешательству микроРНК в синтез белков,
они
осуществляют
регуляцию
этапов
эмбриогенеза,
дифференцировки тканей, онкогенеза у животных; цветения и
образования вегетативных органов у растений и др.
Экспрессия более 50% белок-кодирующих генов человека
регулируется микроРНК.
В настоящее время известно более 8 тыс. типов микроРНК.
Главная трудность — установить точную функцию конкретной
микроРНК.
Один тип микроРНК может регулировать трансляцию мРНК
более 100 различных генов.

22.

Роль микроРНК в ходе онтогенеза
Например, вставив в ДНК мыши «мусорный»
фрагмент человеческой ДНК, не кодирующий
ни одного белка, можно сделать её лапку
похожей на человеческую кисть.
Одновременно с появлением новых органов и тканей
у древнейших двусторонне-симметричных животных
(билатерий) появилось более 30 новых микроРНК —
регуляторных молекул, управляющих работой генов.
К билатериям относятся все животные, кроме самых
примитивных (таких как губки, трихоплакс и
кишечнополостные), в том числе все черви, моллюски,
членистоногие и хордовые.
Современный кольчатый червь Platynereis
(слева) и загадочное ископаемое животное
Spriggina (вендский период, около 550 млн
лет назад).
Немецкие ученые обнаружили, что в ходе развития
личинок примитивных билатерий разные микроРНК
вырабатываются в разных типах формирующихся
тканей.

23.

Внедряется в практику терапевтическое применение
микроРНК для целенаправленного подавления
экспрессии генов при некоторых заболеваниях человека
Ученые из Йельского университета смогли
остановить рост опухоли в легких мышей с
помощью интраназального введения лекарства,
содержащего микроРНК let-7.
Эксперимент проводился на фоне контрольной
группы мышей, которые не получали лекарства. У
них опухоль продолжала развиваться, как и ранее.
Введение в организм млекопитающего let-7 не
привело к исчезновению опухоли, однако ее размер
сократился на 66%.

24.

Специфические микроРНК (например, микроРНК-122)
контролируют размножение вируса гепатита С в клетках печени
у человека. В отсутствие этой микроРНК-122 вирус
размножаться не может.
Датскими учеными создана субстанция, рабочее название которой
SPC3649. Принцип действия у нее такой - это короткая искусственная ДНК,
которая связывается с молекулой микроРНК-122 и не дает выполнять ей
свою функцию. Новое лечение гепатита С начали испытывать на людях.
МикроРНК-122 отвечает также за обмен жиров в организме и
поддержание уровня холестерина в крови. Заблокировав
образование микроРНК-122 в клетках здоровой печени, можно
снизить уровень холестерина в организме.

25.

МикроR214 отвечает за выработку инсулина поджелудочной
железой. Согласно работам профессора Гая Руттера из
Имперского Колледжа Лондона, ему удалось с помощью
небольших синтетических молекул инактивировать
микроРНК, чтобы повысить продукцию инсулина в
организме.
Сотрудники Института химической биологии и
фундаментальной медицины (ИХБФМ) СО РАН под
руководством академика В.Власова синтезировали 22членную двуцепочечную микроРНК, которая тормозит рост
раковых клеток и стимулирует синтез интерферона.

26.

Российские учёные синтезировали противоопухолевую микроРНК
Препараты на основе интерферона стимулируют работу иммунной системы и
тем самым подавляют рост злокачественных опухолей. Однако применять их
можно очень ограниченно, так как они вызывают у пациентов воспаление и
аллергические реакции. Поэтому медики стараются использовать не сам
интерферон, а препараты, стимулирующие его синтез в организме больного.
Показано, что использование этой дцРНК эффективно подавляет развитие
эпидермоидной карциномы - скорость деления клеток падала в 3–3,5 раза.
Учёные предполагают, что «лечебная» дцРНК взаимодействует с клеточным
ферментом дцРНК-зависимой протеинкиназой R. Этот фермент защищает организм
млекопитающих от вирусов, геном которых представлен дцРНК, блокируя деление
заражённых клеток. Когда в клетку попадает «лечебная» молекула, фермент
реагирует на неё как на вирус и не позволяет этой клетке размножаться.
Учёные также исследовали способность препарата вызывать синтез интерферона.
Было показано, что в присутствии дцРНК клетки стали синтезировать интерферон-α в
три раза активнее. При этом молекула, в отличие от других известных препаратов на
основе РНК, почти не вызывает воспаления. Авторы исследования полагают, что
полученный ими препарат окажется полезным в лечении опухолей.

27.

В декабре 2008 г. фармацевтическая компания
Regulus Therapeutics объявила об успешных
испытаниях на животных синтетических
молекул, блокирующих микроR-21, которая в
больших количествах присутствует в сердце.
Блокирование микроR-21 предотвращало
инфаркты у лабораторных мышей.
С другой стороны, группа итальянских исследователей из Международного
центра генной инженерии и биотехнологии в Триесте рассказала, как можно
«подстегнуть» пролиферативную активность клеток сердца с помощью
микроРНК. Особый тип микроРНК, которые способны индуцировать клетки
сердечной мышцы к делению, вводили в сердце мышей после инфаркта, и
спустя два месяца повреждённый участок выздоравливал наполовину, а
функция сердца почти полностью восстанавливалась.
До сих пор никому не удавалось добиться такого результата на сердце
млекопитающих. В ближайшем будущем исследователи хотят проверить свою
методику на животных с более крупным сердцем, больше похожим на
человеческое, передает Nature News.

28.

Ироничный афоризм "Ты – есть то,
что ты ешь" стал реальностью.
МикроРНК растений, которые мы
каждый день употребляем в пищу,
может попадать в нашу кровь и ткани
и регулироват экспрессию наших
генов!
Последние исследования китайских ученых Чен Ю Янг и его коллеги из
Нанкинского Университета, занимающиеся проблемами микроРНК
животных и растений, обнаружили наличие микроРНК из
сельскохозяйственных культур, таких как рис, пшеница, картофель и
капуста в крови и клетках органов человека.
Результаты этой работы опубликованы в научно-исследовательском журнале «Cell Research».
Поскольку эта информация вызывает новые опасения в отношении генетически
модифицированных культур, так как прежде никто не изучал количественный и качественный
состав их микроРНК, статью, содержащую во многом революционные результаты, не приняли
для публикации такие солидные журналы как Science, Cell и Molecular Cell. Но теперь, когда
«ящик Пандоры», наконец, открыт, можно ожидать роста интереса к микроРНК растений и
вала публикаций в этой интригующей области.

29.

Еще одно открытие!
Прорыв в науке —
перепрограммирование клеток
Лауреатами Нобелевской премии по
физиологии и медицине за 2012 г. по
решению Шведской королевской академии
наук стали британец Джон Гордон и
японец Синъя Яманака. Почетная награда
была присуждена исследователям за
открытие в перепрограммировании
стволовых клеток.

30.

В настоящее время существует три пути
перепрограммирования соматических клеток в
плюрипотентные стволовые клетки:
1. Пересадка ядер, взятых из соматических клеток, в
оплодотворенную яйцеклетку, из которой предварительно
удалено ядро;
2. Слияние соматических клеток с плюрипотентными стволовыми
клетками;
3. Модификация соматической клетки, приводящая к её
превращению в стволовую клетку, с помощью:
- генетического материала, кодирующего белковые
репрограммирующие факторы;
- специальных рекомбинантных белков;
- микроРНК;
- низкомолекулярных биологически активных веществ.

31.

1. Пересадка ядер, взятых из соматических клеток, в
яйцеклетку
Джон Гордон
Перепрограммирование ядра клетки эпителия лягушки. Гердон использовал
УФ-свет, чтобы разрушить ядро икринки лягушки (1), а потом пересадил туда
другое ядро, полученное из эпителия головастика (2). В большинстве случаев
клетки погибли, однако несколько из них развились в головастиков и затем —
во взрослых лягушек (3). Этот опыт подтвердил, что генетическая
информация сохраняется неизменной на протяжении всего срока
жизни клетки, и может в подходящих условиях быть задействована
вновь. Более поздние исследования, основанные на том же принципе,
привели к клонированию различных млекопитающих (4).

32.

Клонирование лягушки
Неоплодотворенная
яйцеклетка
Клетки кишечника головастика
Пересадка ядра в
яйцеклетку
Инактивация ядра
ультрафиолетом
Микропипетка

33.

1958
First cloned animal
Xenopus laevis
Джон Гордон

34.

Долли
Ian Wilmut
…и ее потопство
1994, 1996

35.

Донор ядра
Донор яйца
Энуклеация
Диплоидная клетка
из молочной железы
Введение ядра
соматической
клетки
Бластоцист
Суррогатная
мама
Как создали овечку Долли!
Долли
На седьмом году её жизни Долли
пришлось усыпить. Специалисты
предполагают, что причиной ранней ее
смерти могли послужить короткие
теломерные концы на хромосомах,
поскольку клетка (из которой
использовали ядро) была взята от 6-и
летные овцы.
С тех пор уже удалось клонировать довольно много млекопитающих — не только
овцу, но и мышь, корову, свинью, лошадь, волка и степного кота.
Сегодня планируется заняться клонированием мамонта и даже
неандартальца (об этом позже).

36.

3. Модификация соматической клетки, приводящая к её превращению
в стволовую клетку
Колонии человеческих индуцированных
плюрипотентных стволовых клеток (ИПСК)
человека, полученные из клеток кожи.
Синъя Яманака обнаружил четыре гена,
необходимых для
«перепрограммирования» клетки: Myc,
Oct3/4, Sox2 и Klf4. Эти гены кодируют
транскрипционные факторы, запускающие
транскрипцию определенных генов.
Перепрограммирование клеток, т.е. возврат их в
недифференцированные клетки осуществляли
путем введения в обычную соматическую клетку,
взятую из взрослого организма, указанных выше
четырех генов. При последующих делениях эта
клетка начинала давать недифференцированные
стволовые клетки, которые были названы
Яманакой индуцированными
плюрипотентными стволовыми клетками
(ИПСК) ((iPS).
Открытие Яманаки — важнейшее фундаментальное открытие в биологии,
поскольку именно оно впервые продемонстрировало, что
дифференцированная клетка может снова вернуться в «детство» и стать
плюрипотентной. Весьма простая технология получения ИПСК мгновенно
была взята на вооружение сотнями лабораторий по всему миру.

37.

Способ перепрограммирования специализированной клетки в
стволовую
Яманака изъял фибробласт из тканей мыши, ввел в него 4 гена - Myc,
Oct3/4, Sox2 и Klf4 (1), который вернулся в состяние плюрипотентности
(2). Полученные ИПСК (3) могут давать начало любым клеткам организма
после соответствующей дифференциации.
Метод может быть использован для разработки новых
способов лечения многих болезней. Например, основанных на
внедрении в организм человека плюрипотентных стволовых
клеток, генетически идентичных клеткам самого организма и
способных заменять поврежденные болезнью клетки и ткани.

38.

Метод Гордона и Яманаки в действии
Под впечатлением от работ Яманаки ученые быстро нашли способ
превратить экзокринные клетки поджелудочной железы в
эндокринные, а фибробласты — в кардиомиоциты. Есть даже пример
превращения друг в друга клеток разных зародышевых листков —
мезодермальных фибробластов в эктодермальные нейроны.

39.

Ученые из Китая разработали метод,
с помощью которого можно
получить индуцированные
стволовые клетки мозга из
содержащихся в моче клеток
почечного эпителия.
, Ученые отмечают, что сам процесс превращения
эпителиальных клеток в ИПСК занимал всего 12 дней. Помещая
полученные индуцированные стволовые клетки в стимулирующую
нейрогенез среду, ученые наблюдали, как клетки превращались в
предшественники нейронов.
Проведя серию экспериментов на крысах, авторы исследования
показали, что инъецированные в мозг клетки становятся
нормальными нейронами и не вызывают образования опухолей.
Пока метод имеет прежде всего исследовательскую ценность,
поскольку позволяет относительно просто получить большое
количество индуцированных стволовых клеток мозга.

40.

Из стволовых клеток выращены клетки
мозга
Американские ученые изобрели
эффективный метод борьбы с болезнями,
которые связаны с нейрогенетивными
нарушениями, например, болезнь
Паркинсона.
Исследователи из Висконсинского университета вживили в мозг
мыши нейрон, выращенный из человеческих стволовых клеток.
Нейроны интегрировались в нейронную систему животного и
начали полноценно работать.
Этот эксперимент показывает, что в дальнейшем поврежденный
нейрон в мозге больных людей может быть заменен на новый.

41.

Для получения сперматозоидов
ученые выращивали плюрипотентные
стволовые клетки в коктейле из белков и
получали клетки-зародыши
(предшественники половых), которые
превращались в сперматозоиды.
С ооцитами сложнее – тут
пришлось использовать
следующую процедуру: смесь
эмбриональных стволовых
клеток помещали в яичники
живых мышей, и через 4 недели и
4 дня они развились в ооциты.
Затем ученые извлекли
полученные ооциты и
оплодотворили их. Впоследствии
из эмбрионов выросли здоровые
особи мышей.
Таким образом, впервые из
индуцированных
плюрипотентных стволовых
клеток фактически вырастили
взрослую особь. Мышь-донор
стала одновременно отцом и
матерью своих детей, что для
здоровых двуполых
млекопитающих в естественных
условиях невозможно.

42.

Данная технология позволит производить человеческие
половые клетки, а затем и эмбрионы из клеточных линий
и тканей любого человека.
Это исследование может помочь в лечении
бесплодия, хотя этическая проблема, которую ставит
это открытие, просто огромна.
Пока для вынашивания ребенка нужна женщина, но
теперь теоретически каждый человек может иметь
ребенка только из собственных стволовых клеток,
превращенных в половые. То есть биологическим
родителем может быть только один человек, а не пара
мать и отец.

43.

Японцы предложили выращивать
человеческие органы в животных
Бластоцистная
комплементация
Для проведения эксперимента исследователи из Токийского университета создали
генно-инженерных мышей, лишенных поджелудочной железы. На ранней стадии
развития мышиных эмбрионов (стадии бластоцисты, когда происходит первая
дифференцировка клеток на эмбриобласт и трофобласт), в них ввели индуцированные
плюрипотентные стволовые клетки крыс.
Когда мыши родились и выросли, у них не наблюдалось признаков диабета, который
неминуемо возник бы в отсутствие поджелудочной железы, вырабатывающей инсулин.
Оказалось, что все они обладают функционирующей железой, практически полностью
состоящей из клеток крыс.
Причем, "крысиный" орган вырос именно в том месте, где должна была находиться
отсутствующая у мышей поджелудочная железа.
В настоящее время исследователи ожидают разрешения на эксперимент со стволовыми
клетками человека, чтобы с помощью разработанной методики вырастить человеческие
органы в организме свиньи. Если этот эксперимент окажется успешным, методика в
будущем сможет стать источником органов для трансплантации.
Новая методика получила название Бластоцистная комплементация

44.

Другая перспектива, уже ставшая твердой действительностью, — возможность
получать линии бессмертных клеток (ИПСК), соответствующих различным
редким генетическим заболеваниям, и изучать как саму болезнь, так
и действие на нее разрабатываемых лекарственных средств.
2
1
3
Из тканей пациентов (1), страдающих различными заболеваниями, можно
выделить соответствующие клетки и превратить их в ИПСК (2). Колонии этих
клеток можно дифференцировать в другие типы клеток и использовать их в
лечении, или же изучать на них болезнь и действие лекарств (3).

45.

В частности, на модели наследственной
вегетативной дистонии проведен
скрининг ряда химических веществ и
найден прототип лекарства кинетин,
который способен частично облегчить
состояние больных с болезнью
Альцгеймера.

46.

ИПСК уже получены для таких заболеваний
как:
амиотрофический латеральный склероз
(болезнь Шарко) - прогрессирующее поражение
двигательных нейронов, сопровождаемое параличом
(парезом) конечностей и атрофией мышц.
синдром Ретта - психоневрологическое заболевание.
Дети с синдромом Ретта после 1-1,5 лет начинают
терять все приобретенные навыки, включая речевой,
двигательный и предметно-ролевой. Заболевание
обусловлено мутацией гена MECP2 и практически не
поддается лечению.
спинальная мышечная атрофия (СМА) нарушение работы поперечнополосатой мускулатуры
нижних конечностей, а также головы и шеи.
недостаточность антитрипсина α1,
семейная гиперхолестеринемия,
различные кардиологические заболевания,
имеется прогресс в изучении заболеваний
со сложной генетикой, таких как шизофрения.

47.

Использование стволовых клеток для
выращивания органов

48.

В Японии созданы фрагменты
почки человека из ИПСК
Ученые университета Киото Япония впервые
в мире смогли создать фрагменты ткани
почки человека из индуцированных
плюрипотентных стволовых клеток (ИПСК).
Ученые вырастили из ИПСК человека клетки тканей, из которых у эмбриона
формируются почки, надпочечная железа и половые клетки. Затем авторы
работы получили клетки пяти типов, характерных для основных частей почек.
В частности, им удалось создать почечный каналец, с помощью которого
происходит фильтрация крови. Полученный фрагмент канальца содержит
специфический белок, присутствующий в клетках почек человека.
Успех японских ученых может стать первым шагом для выращивания органов.
Примечательно, что летом прошлого года ученые из другого японского
университета - Университета Иокогама первыми в мире смогли вырастить
ткани печени при использовании стволовых клеток неэмбрионального
происхождения.

49.

50.

В августе 2013 года потенциал
стволовых клеток проявился в
достаточно неожиданном свете:
ученые под руководством
профессора Марка Поста из
Маастрихского университета
(Нидерланды), взяв образец
мышечных клеток коровы,
вырастили в лаборатории
достаточно говядины, чтобы
приготовить из нее бургер.
По общему заключению экспертов котлета мало чем отличалась от
нормального бургера, разве что не была такой сочной — ведь она совсем не
содержала жира!
По словам создателей первого бургера из стволовых клеток, при
соответствующем маркетинге открытие может произвести революцию в
общественном питании. Но пока им нужно также подумать об удешевлении
производства, ведь первый гамбургер обошелся в 330 тысяч долларов. Зато
скорость роста вполне приемлемая — проект занял три месяца. Намного
меньше, чем требуется, чтобы вырастить корову.

51.

Белорусские ученые и медики
планируют освоить технологию
лечения заболеваний
центральной и периферической
нервной системы человека
стволовыми клетками
С помощью стволовых клеток отечественные специалисты планируют научиться
лечить в первую очередь склероз, сердечно-сосудистые заболевания,
получать хрящевые протезы для устранения патологий опорнодвигательного аппарата. Кроме того, в планах ученых и медиков – освоение
технологии получения стволовых клеток костного мозга и их использование для
лечения заболеваний крови – лейкозов.
Стволовые клетки помогают специалистам реализовывать еще один уникальный
проект – формировать банк пуповинной крови. Человек, кровь которого
попадает в такую базу, на протяжении десятилетий может рассчитывать на то,
что его собственный биоматериал при необходимости поможет ему устранить
проблемы со здоровьем.

52.

В Минске откроется международный
центр клеточных технологий
Инфраструктура медицинского
заведения уже создана, а первый этап
открытия назначен на 1 апреля 2014 г.
Международный центр клеточных технологий будет производить стволовые
клетки и лечить с их помощью различные заболевания, выявлять генную
предрасположенность к различным видам спорта и заболеваниям.
Научная база проекта будет в Институте биофизики и клеточной инженерии, а
госпитализировать пациентов будут в 9-й городской клинической больнице.
Лечение стволовыми клетками - это сенсация века в медицине.
Сейчас оно применяется при самых разных заболеваниях: нервной
системы, включая инсульт, травмы позвоночника и головного мозга,
сердечно-сосудистой, в том числе и при инфаркте миокарда.
Стволовые клетки восстанавливают иммунитет и суставные хрящи,
улучшают структуру кожи.

53.

У нас мало генов, но это не мешает
быть нам самыми умными!
Почему?

54.

Обнаружено, что почти все
человеческие гены кодируют
более одного белка
Анализ 400 млн фрагментов РНК
из разных тканей и органов показал,
что 94% человеческих генов
подвергаются альтернативному
сплайсингу (у остальных 6 % генов нет
интронов), причем в разных тканях
производятся разные наборы
изоформ мРНК.
Благодаря альтернативному
сплайсингу разнообразие белков
в организме млекопитающих
значительно выше, чем у низших
животных, хотя количество генов у тех
и других примерно одинаково.

55.

Сплайсинг это довольно простое и важное биологическое
явление. Его суть состоит в том, что считанная с ДНК
последовательность РНК в ходе последующей
обработки — созревания — может быть по-разному
реорганизована. Первичный РНК-транскрипт (пре-мРНК)
состоит из экзонов и интронов — смысловых и
бессмысленных частей. В ходе созревания РНК интроны
вырезаются, а экзоны — смысловые части — сшиваются,
и получается зрелая матричная РНК определенного белка.
Этот процесс называется сплайсингом.

56.

Сплайсинг мРНК
Пре-мРНК
Зрелая мРНК
Экзоны (последовательности,
которые кодируют белок)
Интроны (последовательности,
которые не кодируют белок)
Экзоны 1 – 4 после
сплайсинга готовы к
трансляции

57.

Альтернативный сплайсинг
В ходе созревания пре-мРНК в ядре сшиваться могут не все
экзоны, и в разных условиях разные экзоны отбрасываются
вместе с интронами. В результате этой сшивки получаются
разные варианты, или изоформы мРНК, кодирующие разные
белки, а весь процесс носит название альтернативного
сплайсинга. Таким образом, из одного гена может быть
в конечном итоге получено несколько разных белков.

58.

Альтернативный сплайсинг — процесс, в ходе
которого экзоны, вырезаемые из пре-мРНК,
объединяются в различных комбинациях, что
порождает различные формы зрелой мРНК
пре-м

59.

Альтернативный сплайсинг
Оказалось, что у большинства генов альтернативный
сплайсинг тканеспецифичен: в одних тканях чаще
синтезируются одни изоформы, в других — другие.
мРНК
После трансляции дает
белок – гормон
щитовидной железы
кальцитоцин
мРНК
После трансляции дает
нейропептид головного
мозга

60.

Какова роль альтернативного
сплайсинга в эволюции живого?
К альтернативному сплайсингу
начинают приглядываться
эволюционисты
Большая группа ученых сравнила разнообразие и частоту сплайсинговых
вариантов у представителей разных позвоночных. Они обнаружили, что
у всех приматов, а не только у человека, частота сплайсинга примерно в
полтора-два раза выше, чем у мыши и других четвероногих.
Какую бы ткань мы ни взяли, разнообразие альтернативных вариантов
сплайсинга у приматов будет выше, чем у мыши, а у мыши будет выше, чем у
лягушки. То есть особенности картины сплайсинга определяются не типом
ткани, а биологическим видом.
Авторы исследования заключают, что разнообразие
альтернативных вариантов накапливается по ходу
эволюционного развития организмов.

61.

Еще одна сенсация синтетическая биология в действии !!!
Создан первый организм с искусственным геномом
20 мая 2010 года навсегда войдет в историю как день, в который было
объявлено о создании первой способной к размножению живой клетки на
основе искусственно синтезированного генома.
Автор проекта - Крейг Вентер.
Схема создания организма с синтетическим геномом заключалась в
следующем:
(1) ученые определили полную геномную последовательность ДНК
Mycoplasma mycoides;
(2) затем на основании этих данных воссоздали геном этой
бактерии химическим путем;
(3) полученную ДНК специалисты поместили в клетки бактерии
Mycoplasma capricolum, из которой предварительно был удален
собственный геном;
(4) Анализ свойств полученного организма показал, что он
обладает свойством M. mycoides. Размер синтезированного генома
генома - 1,08 млн. пар нуклеотидов.
Крейг Вентер потратил 15 лет на то, что бы
оживить мертвую материю.

62.

Будущее синтетической биологии
1. Альтернативная энергетика. В 2009 г. принадлежащая Крейгу Вентеру
компания Synthetic Genomics Inc. и нефтегазовый гигант Exxon Mobil заключили
соглашение о разработке дешевого и экологически чистого биотоплива.
Реакторами станут морские водоросли с измененным геномом, позволяющим им
производить углеводороды, похожие по составу на органические вещества, из
которых состоит нефть.
2. Живой компьютер. Создание из клеток аналогов электронных устройств. В
декабре 2010 года ученые из Гетеборгского университета модифицировали
клетки дрожжей таким образом, что их можно программировать на решение
логических задач. Под влиянием разнообразных раздражителей они способны передавать свое
состояние собратьям, выделяя в питательную среду молекулы различных типов, каждый из которых
соответствует определенному раздражителю. Комбинируя реакцию на два разных раздражителя, клетки
могут производить сигналы, «складывая» и «перемножая» посылки, как это делает процессор.
3. Органический синтез. Колонии искусственных микроорганизмов смогут
синтезировать сложные органические молекулы тоннами, а их применение будет
самым разнообразным - производство лекарств и пищевых продуктов,
промышленная химия и т.д. Поскольку биомасса бактерий способна
увеличиваться по экспоненте, производство может быть сколь угодно
масштабным, а затратность - минимальной. В ближайших планах конструкторов получение бактерий, способных обнаруживать ядовитые вещества и взрывчатку
по «запаху» (крохотным частицам вещества, распространяющегося в воздухе),
микробов, очищающих экосистему от пластикового мусора, и т.д., и т.п. и пр.

63.

Успехи
в клонировании животных

64.

Методика: пересадка ядер, взятых из соматических клеток, в
яйцеклетку и внедрение ее в половые пути соответствующего
организма

65.

66.

Затем появилась трансгенная
Полли и ее сестры
В геноме Полли содержится
человеческий ген IX фактора
свертываемости крови. Ген
работает в клетках молочной
железы, и белок, нужный для
лечения гемофилии,
выделяется с молоком.
Фото www.roslin.ac.uk/

67.

2002 – кролик
2003 – мул по имени «Драгоценный
камень Айдахо»
2004 - гуар

68.

2003 – бентанг
2003 – белохвостый олень
2004 - коммерческое клонирование кота Маленький Никки

69.

2005 – собака - африканская борзая Снаппи
2005 – африканская кошка
2006 – хорьки Либби и Лилли

70.

2006 – индийский буйвол
2007 - собака
2008 - коммерческое клонирование собаки - лабрадора Чэйс.
Начато массовое коммерческое клонирование собак
2009 - верблюд – Инджас
2009 – пиринейский горный козел
2011 - восемь клонированных щенков койота
В геноме этих коз содержится
трансгенные человеческий ген антитромбина III,
препятствующего свертыванию крови.
козы
Белок выделяется с молоком.
Фото http://news.bbc.co.uk/1/hi/sci/tech/329107.stm

71.

К настоящему времени клонированы и другие млекопитающие – корова, свинья, мышь,
кошка, собака, мул, обезьяна

72.

Аргентинские генетики вывели трансгенную корову, которая имеет ряд
человеческих генов и дает молоко, идентичное материнскому благодаря
содержанию лактоферрина.
Зовут ее Розита.

73.

Корову, которая дает молоко, не
вызывающее аллергию, вырастили
ученые в Новой Зеландии
Для выведения генномодифицированной коровы
специалисты сначала внедрились в
геном животного и «выключили»
работу гена, ответственного за
производство бета-лактоглобулина.
Известно, что это вещество способно у
многих людей вызывать аллергию, в
частности, у маленьких детей от него
может появиться высыпание на коже.
Новорожденную трансгенную корову назвали Дейзи. Она родилась
на четыре недели раньше срока и... без хвоста.
Ученые пока не знают, способна ли Дейзи к размножению, к тому же
оказалось, что вкус у гипоаллергенного молока немного отличается
от обычного.
.

74.

Трансгенные козы, живут в Жодино. Они стали
настоящей сенсацией в белорусской науке.

75.

Лактоферрин является уникальным и многофункциональным
белком, который содержится в том числе в молоке.
Для этого белка характерно большое количество биологических
активностей, он обладает иммуномодулирующими свойствами,
проявляет противовирусную, антибактериальную,
антигрибковую активность. Кроме того, данный белок обладает
противовоспалительным действием. Именно поэтому
полученный в молоке трансгенных коз лактоферрин может быть
применим и в фармацевтике, и в косметологии, а также в
пищевой промышленности и даже в спорте. Но прежде всего
лактоферрин может стать спасением для детей, лишенных
материнского молока.
Годовой объем мирового производства лактоферрина из
коровьего молока оценивается в 60 т, а в стоимостном
выражении - в $6 млрд.

76.

Учёные брали по нескольку
четырёхклеточных эмбрионов макаки,
соединили их вместе и
имплантировали «смешанные»
эмбрионы суррогатной матери, которая
родила здоровое потомство. Макак
назвали Chimero, Roku и Hex.
Первые в мире
фантастические
обезьяны словно сошли
со страниц научнофантастического
произведения.
Обезьянки, созданные
американскими
исследователями, имеют
огромное значение для
медицины. Три
нормальные и здоровые
макаки резус появились
на свет в результате
комбинирования
гибридных эмбрионов.

77.

Клонированы
светящиеся
собаки
Ученые из Южной Кореи клонировали четырех щенков породы Бигль,
которые светятся в темноте красным. Собаки светятся красным под
ультрафиолетом, а их когти и животы выглядят красными даже при
обычном освещении.
Это первые трансгенные собаки с генами флуоресценции. Все
«трансгенные» собаки являются клонами от одного донора.
Родилось шесть щенков, но лишь четверо из них выжили.
Эти светящиеся собаки доказывают возможность успешной имплантации
генов, ответственных за определенное свойство, что дает надежду на
имплантацию необходимых генов для лечения болезней. Кстати, по
заявлениям профессора, его группа сейчас именно этим и занимается,
пытаясь найти способы лечения генетических заболеваний. Ранее
ученому удалось клонировать светящихся мышей и свиней, но с собаками
это первый удачный опыт.

78.

У трансгенной лягушки Xenopus laevis
зеленым светятся только глаза
www.uchc.edu/ dsp/plucky.htm
Трансгенные светящиеся рыбки
предназначены для того, чтобы
украшать аквариум.
www.glofish.com/ photos.asp

79.

80.

В Израиле изобрели курицу без перьев
В скором времени нужда в ощипывании кур отпадет. Израильские
ученые из Тель-Авива вывели породу кур-бройлеров, которые
напрочь лишены перьевого покрова. Внешним видом они
напоминают «человека Платона» – двуногих существ без перьев,
как пошутил в свое время древнегреческий философ Диоген
Синопский.
Это полностью естественная курица, которая никакими
заболеваниями не страдает, – утверждает он. Первые курицы без
перьев появились в Израиле еще в 2002 году, однако потребовалось
почти 9 лет, чтобы закрепить новую породу. На длительность работы
также повлияло и отсутствие финансирования – ученые из
Реховотского аграрного института делали все за свой счет.

81.

Ноги вместо плавников – новый
эксперимент генетиков
Ученые не перестают экспериментировать на
животных в поисках ответов на интересующие их
вопросы эволюции. И вот испанским ученым, похоже,
удалось воспроизвести первый этап выхода
позвоночных из моря на сушу.
Для достижения желаемого эффекта группа исследователей в Севилье
решили немного изменить поведение гена Hoxd13, активность которого, как
известно, крайне низка у зародышей рыб и высока у четвероногих. В
ходе эксперимента рыбам-зебрам (Danio rerio) была введена в геном вторая
копия Hoxd13. В результате у зародышей с измененным геном вместо
обычных плавников стали формироваться не плоские, а округлые
конечности. Данная конструкция стала уже довольно сильно напоминать
лапы животного.
По всей вероятности, примерно таким образом произошло сотни
миллионов лет назад превращение рыб в амфибий.
Предположения подтвердились после введения в геном рыбы-зебры гена CsС,
который управляет работой Hoxd13 в зародыше мыши, плавники стали
превращаться уже в примитивный аналог лап.
Это указывает на присутствие клеточных механизмов, которые могут
запускать программу преобразования в геноме общего предка рыб и наземных
животных.

82.

В ближайшее время может родиться первый "гибридный"
ребенок
Дети от трех родителей появятся на свет уже в этом году.
Оппоненты этого весьма революционного метода заявляют,
что это нарушение принципов святости человеческой жизни и
это может привести к непредсказуемым последствиям для
будущих поколений, рожденных таким способом детей.
В результате такого метода ребенок будет
иметь две родные мамы и одного отца,
сообщает globalscience.ru. По мнению ученых,
новая технология позволит избавить детей от
почти 50 тяжелых, неизлечимых заболеваний,
связанных со слепотой, глухотой, поражением
почек и болезнями сердца.
Главный вопрос, который правительство
задает британцам во время дискуссий: что
важнее обществу - иметь генетически
здоровых детей или раздумывать над
этической стороной дела.