Генная инженерия на службе здравоохранения

ГБОУ ВПО Читинская  Государственная Медицинская Академия

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

по дисциплине «Биологическая химия»

на тему

«Генная инженерия на службе здравоохранения»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: студентка 218 группы лечебно-профилактического

факультета  Слободская Ирина

 

Проверил: профессор кафедры  химии и биохимии,

к.м.н. Никитина Лариса Петровна

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Чита 2012

Содержание

 

Введение……………………………………………………………………3

1. Основные понятия генной инженерии

1.1 Генетическая информация………………………………………….....4

1.2. Роль белков в организме…………………………………...................5

2. Генная инженерия в здравоохранении………………………………..6

2.1. Генная терапия человека……………………………………………...8

2. Проект «Геном Человека»………………………………………….9
3. Перспективы контроля над генами и ближайшие задачи генетиков……………………………………………………………10

Список литературы………………………………………………………..12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Генная инженерия  — это раздел молекулярной генетики, связанный с целенаправленным созданием  новых комбинаций ДНК и РНК, выделением генов из организма (клеток), осуществлением манипуляций с генами и введением их в другие организмы, в том числе – в организмы другого вида.

По мере того, как генетики всё больше узнают о  работе генов и белков, всё более  реальной становится возможность программировать  генотип (прежде всего, человеческий), с лёгкостью достигая любых результатов: таких, как устойчивость к радиации, способность жить под водой, способность к регенерации повреждённых органов и даже бессмертие.

Генная инженерия  появилась благодаря работам  многих исследователей в разных отраслях биохимии и молекулярной генетики. В 1953 году Дж. Уотсон и Ф. Крик создали двуспиральную модель ДНК, на рубеже 50 – 60-х годов 20 века были выяснены свойства генетического кода, а к концу 60-х годов его универсальность была подтверждена экспериментально. К началу 70-х годов были сформулированы основные принципы функционирования нуклеиновых кислот и белков в живом организме и созданы теоретические предпосылки генной инженерии. Датой рождения генной инженерии можно считать 1973 год, когда Стэнли Кохен и Герберт Бойер с сотрудниками (Стенфордский университет) создали первую рекомбинантную ДНК, содержавшую фрагменты ДНК обезьяньего вируса SV40, бактериофага и кишечной палочки.

Академик А.А. Баев был первым в нашей стране ученым, который поверил в перспективность генной инженерии и возглавил исследования в этой области. Генетическая инженерия (по его определению) – создание искусственных генетических программ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Основные понятия  генной инженерии

1.1.Генетическая информация

Генетическая  информация содержится в клетке в хромосомах (у человека их 46), состоящих из молекулы ДНК и упаковывающих её белков, а также в митохондриях. ДНК является последовательностью нуклеотидов, каждый из которых содержит одно из четырех азотистых оснований — гуанин (G), аденин (A) (пурины), тимин (T) и цитозин (C). С функциональной точки зрения ДНК состоит из множества блоков (последовательностей нуклеотидов), хранящих определенный объем информации — генов.

Ген — участок  молекулы ДНК, в котором находится информация о первичной структуре какого-либо одного белка (один ген — один белок). Поскольку в организмах присутствуют десятки тысяч белков, существуют и десятки тысяч генов (в организме человека их примерно 20-25 тысяч). Совокупность всех генов организма составляет его генотип. Все клетки организма содержат одинаковый набор генов, но в каждой из них реализуется различная часть хранимой информации. Лишь те гены активны, которые необходимы для функционирования данной клетки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2. Роль белков в организме

Белки являются наиболее важными молекулами в каждом живом организме, представляют собой  цепочку аминокислот, свернутую  в пространстве особым образом. Белки  осуществляют обмен веществ (перенос  веществ в организме), обеспечивают структурную основу тканей, служат катализаторами химических реакций, защищают организмы от патогенов. Информация о последовательности аминокислот в полипептидной цепи белка содержится в генах в форме последовательности нуклеотидов. Например, последовательность CAA (цитозин, аденин, аденин) или CAG (цитозин, аденин, гуанин) кодирует аминокислоту глутамин. Синтезируемые белки начинают выполнять свои функции, обеспечивая работу клетки и всего организма.

Одна из функций  белков - активация генов. Некоторые  гены содержат фрагменты, притягивающие к себе определённые белки. Если такие белки содержатся в клетке, они присоединяются к этому участку гена и могут разрешать или запрещать его копирование на РНК. Наличие или отсутствие в клетке подобных регулирующих белков определяет, какие гены активируются, а значит, какие новые белки синтезируются.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.Генная инженерия в медицине

Если внести в организм (растение, микроорганизм, животное или  даже человек) новые гены, то можно  наделить его новой желательной характеристикой, которой до этого он никогда не обладал. Изменения генов прежде всего связано с преобразованием химической структуры ДНК: изменение последовательности нуклеотидов в хромосомной ДНК. Выпадение одних и включение других нуклеотидов меняют состав образующихся на матрице ДНК молекул РНК, а это обуславливает новую последовательность аминокислот при синтезе белков. В результате в клетке начинает синтезироваться новый белок, что приводит к появлению у организма новых свойств.

Потребности здравоохранения, необходимость решения проблем старения населения формируют устойчивый спрос на генно-инженерные фармацевтические препараты и лечебно-косметические средства из растительного и животного сырья. Известно, например, что одной из причин старения является сокращение теломер при каждом делении клетки. Теломеры - это копии фрагмента TTAGGG, расположенные на концах всех хромосом и защищающие ДНК. Обычно клетка умирает, пережив около 50 процессов деления, однако учёным удалось добиться неограниченного деления клеток. В конце 1990-х ученым удалось внедрить в клетки открытый ими ген, отвечающий за выработку фермента теломеразы, восстанавливающего теломеры, и тем самым сделать их бессмертными.

Среди многих достижений генной инженерии, получивших применение в медицине, наиболее значительное – получение человеческого инсулина в промышленных масштабах.

В настоящее время по данным ВОЗ в мире насчитывается около 110 млн. людей, страдающих сахарным диабетом. Инсулин, инъекции которого показаны больным  этим заболеванием, уже давно получают из органов животных и используют в медицинской практике. Однако многолетнее применение животного инсулина ведет к необратимому поражению многих органов пациента из-за иммунологических реакций, вызываемых инъекцией чужеродного человеческому организму животного инсулина. Но даже потребности в животном инсулине до недавнего времени удовлетворялись всего на 60 – 70%. Генные инженеры в качестве первой практической задачи клонировали ген инсулина. Клонированные гены человеческого инсулина были введены с плазмидой (дополнительные факторы наследственности, расположенные в клетках вне хромосом и представляющие собой кольцевые или линейные молекулы ДНК) в бактериальную клетку, где начался синтез гормона, который природные микробные штаммы никогда не синтезировали. Начиная с 1982 года фирмы США, Японии, Великобритании и других стран производят генно-инженерный инсулин. В России получение генно-инженерного человеческого инсулина – инсурана - ведется в Институте биоорганической химии им. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН.

Развитие генной инженерии в 80-х годах прошлого столетия в России послужило толчком в создании генно-инженерных штаммов микроорганизмов с заданными свойствами – продуцентов биологически активных веществ, в разработке генно-инженерных методов реконструирования генетического материала вирусов, в получении лекарственных субстанций.

 До стадии производства доведены рекомбинантный интерферон (ряд белков со сходными свойствами, выделяемых клетками организма в ответ на вторжение вируса.) и лекарственные формы на его основе медицинского и ветеринарного назначения, интерлейкин (является частью иммунной системы), эритропоэтин. Около 200 новых диагностических препаратов уже введены в медицинскую практику, и более 100 генно-инженерных лекарственных веществ находится на стадии клинического изучения. Среди них лекарства, излечивающие артрозы, сердечно-сосудистые заболевания, некоторые опухолевые процессы и, возможно, даже СПИД. Среди нескольких сотен генно-инженерных фирм 60% работают над производством лекарственных и диагностических препаратов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.1. Генная терапия человека

На людях технология генной инженерии была впервые применена для лечения четырёхлетней девочки Ашанти Де Сильвы, страдавшей от тяжёлой формы иммунодефицита. Ген, содержащий инструкции для производства белка аденозиндезаминазы (ADA), был у неё повреждён. А без белка ADA лейкоциты крови умирают, так как клетки с дефицитом этого белка не могут продуцировать фермент, который в нормальных клетках разрушает некоторые вещества, токсичные для лейкоцитов. И в результате гибели белых клеток крови, которые играют ключевую роль в функционировании системы иммунитета, организм становится беззащитным перед вирусами и бактериями.

Врач по имени  У. Френч Андерсон и его коллеги  взяли у девочки немного крови, отфильтровали клетки белой крови  и смешали их с генетически  измененным вирусом, несущим ген ADA. Клетки размножали в течение 10 дней, а затем снова ввели их Ашанти. Сначала лечение повторяли каждый месяц, вводя Ашанти PEG-ADA (аденозиндезаминаза–полиэтиленгликоль). Это комплекс ADA, не разрушается в крови, что отличает его от нормальной ADA. После нескольких лет лечение ограничили одним введением половины дозы PEG-ADA. Иммунная система девочки постоянно улучшалась, и Ашанти начала жить обычной жизнью здорового ребенка. Клетки получили возможность самостоятельно производить необходимый белок. Количество белых клеток в организме девочки поднялось до нормального уровня.

После этого  область генной терапии получила толчок к дальнейшему развитию. С 1990-х годов сотни лабораторий  ведут исследования по использованию  генной терапии для лечения заболеваний. На сегодняшний день известно, что с помощью генной терапии можно лечить диабет, анемию, некоторые виды рака, болезнь Хантингтона (редкая наследственная болезнь мозга, характеризуемая толчкообразными непроизвольными движениями, беспокойным поведением и деградацией личности и интеллекта, ведущая к слабоумию) и даже очищать артерии. Сейчас идёт более 500 клинических испытаний различных видов генной терапии.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.2. Проект "Геном человека"

В 1990 году в США  был начат проект "Геном человека", целью которого было определить весь генетический год человека. Проект, в котором важную роль сыграли и российские генетики, был завершён в 2003 году. В результате проекта 99% генома было определено с точностью 99,99% (1 ошибка на 10000 нуклеотидов). Завершение проекта уже принесло практические результаты. Стало, например, возможным определять генетическую предрасположенность ко многим наследственным заболеваниям.

Учеными высказываются  надежды, что, благодаря расшифровке генома, будут разработаны препараты для лечения такого опасного заболевания, как СПИД. Прогнозировали, что к 2009 году будут определены гены, которые связаны со злокачественными новообразованиями. Так специалисты британского Центра по исследованию рака в Кембридже в 2011 году выделили ген ZNF703, который отвечает за возникновение особо агрессивной формы рака груди. Планируется, что к 2015 году будут установлены механизмы возникновения почти всех видов рака. К 2020 году может быть завершена разработка препаратов, предотвращающих рак.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.4. Перспективы  контроля над генами и ближайшие  задачи генетиков

Хотя генетика и генная инженерия уже играют огромную роль в медицине, ещё очень многое предстоит узнать о том, как работает сложная генетическая система в нашем организме и у других видов живых существ.

Необходимо определить функции и назначение каждого  гена, определить, каковы условия его  активации, в какие периоды жизни, в каких частях тела и при каких  обстоятельствах он включается и  приводит к синтезу соответствующего белка. Необходимо понять, какую роль играет в организме этот белок, выходит ли он за пределы клетки, какие сообщения несёт, какие реакции катализирует, как влияет на запуск биологических процессов в других частях организма, какие гены активирует.