Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Российский национальный исследовательский медицинский университет имени Н.И. Пирогова» Министерства здравоохранения Российской Федерации Кафедра истории медицины и социально-гуманитарных наук ИГН РЕФЕРАТ По дисциплине: «История медицины» На тему: «Достижения генетики в ХХ веке» Выполнила: студентка 1.1.24 Б Сташ Рената Руслановна Преподаватель – Тамаркина Наталья Владимировна Москва, 2024 План реферата 1. Введение………………………………………………………………..3 2. Основная часть…………………………………………………………3 2.1 Основы генетики……………………………………………………..3 2.2 Репликация и передача генетической информации………………..6 2.3 Генетические технологии……………………………………………8 2.4 Перспективы исследований в области генетики………………….14 3. Заключение……………………………………………………………15 4. Список литературы…………………………………………………...15 2 1. ВВЕДЕНИЕ: Первое десятилетие двадцатого века особым образом вошло в историю биологии. Этот короткий период ознаменовался рядом крупных биологических открытий. Они привели к рождению новой науки – генетики, основоположником которой являлся Г. Мендель. Генетика стала теоретической основой селекции растений, животных и микроорганизмов и заняла ведущее место среди естественных наук. Без знания закономерностей наследственности и изменчивости сейчас немыслимо развитие эволюционного учения, многих биологических дисциплин. Первые идеи о наследственности восходят к древним цивилизациям, таким как Египет и Древняя Греция. Философы, такие как Платон и Аристотель, рассуждали о передаче качеств от родителей к потомству, хотя их представления о механизмах этой передачи были скорее философскими, чем научными. В Средние века внимание к наследственности сохранялось, но научные исследования замедлились. В основном акцент делался на теологических аспектах и философских трактатах, которые мало способствовали эмпирическим исследованиям. Кульминацией исследований в области наследственности стало открытие Грегора Менделя в 1865 году, который провел эксперименты с горохом. Он сформулировал основные законы наследования, такие как закон чистоты гамет и закон независимого наследования. Таким образом, до XX века изучение наследственности прошло путь от философских размышлений к более систематизированным и научно обоснованным теориям. Достижения генетики оказали значительное влияние на науку, медицину, историю человечества и продолжают формировать наше будущее в различных областях, революционизируя наше понимание биологических процессов и открывая новые горизонты для диагностики, лечения и профилактики заболеваний. 2. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ: 2.1 Основы генетики Основателем генетики по праву можно считать Грегора Иоганна Менделя. В своей работе Грегор Мендель использовал гибридологический метод, который стал основой его опытов. Уже в первоначальной стадии работы он понял, что в эксперименте нужно выполнить два условия: растения должны обладать константно 3 различающимися признаками и гибриды должны быть защищены от влияния чужой пыльцы. Мендель работал с горохом, используя для скрещивания растения, относившиеся к определенным сортам. В целом можно сказать, что результативности работ Менделя способствовало то, что он при проведении экспериментов использовал строгую и хорошо продуманную методику. В начале своих исследований Мендель наблюдал за наследованием одного признака, и лишь после установления закономерностей наследования одного признака он перешел к изучению наследования одновременно нескольких признаков. Мендель провел более 10000 опытов, предметом которых было более двух десятков разновидностей гороха. Всего же отличительных признаков гороха в его исследованиях было 7. На основании полученных данных Мендель сформулировал три закона. 1. Закон единообразия гибридов: при скрещивании двух чистых линий организмов, отличающихся друг от друга одним признаком, все гибриды I поколения будут иметь признак только одного из родителей, и поколение по данному признаку будет единообразным. 2. Закон расщепления: при скрещивании двух гетерозиготных организмов у потомков наблюдается расщепление по фенотипу в соотношении 3 : 1 и по генотипу в соотношении 1 : 2 : 1. 3. Закон независимого наследования признаков: при скрещивании особей, отличающихся по двум или более альтернативным признакам, каждая пара генов ведёт себя независимо от остальных пар. Это означает, что гены и соответствующие признаки наследуются и свободно комбинируются в потомстве во всех возможных сочетаниях. Мендель значительно опередил свое время, его работы были по достоинству оценены лишь через 36 лет после их публикации. В 1900 г. три исследователя – Гуго де Фриз (Германия), Карл Эрих Корренс (Голландия) и Эрих Чермак – Зейзенегг (Австро-Венгрия) – независимо друг от друга и на разных объектах переоткрыли законы Менделя. 1900 год считается датой рождения генетики как науки. Открытия Грегора Менделя имели значение для развития не только биологии и генетики, они сказались и на развитии других наук, в т.ч. медицины и анатомии. В медицине появилась такая самостоятельная отрасль, как медицинская генетика, а в анатомии прояснились причины и механизмы развития пороков и аномалий строения, возникла классификация анатомической изменчивости. Мощный толчок признание открытий Менделя дало развитию эмбриологии. Т. Морган, К. Бриджес, А. Стертевант и Г. Меллер пришли к выводу что «поведение наследственных факторов есть поведение хромосом», это 4 явилось первым историческим прочтением хромосомной теории наследственности. В лаборатории Т. Моргана на модельном объекте Drosophila melanogaster были изучены генетические явления, заложившие базис хромосомной теории наследственности: 1) хромосомный механизм определения пола; 2) наследование признаков, сцепленных с полом; 3) нерасхождение хромосом в мейозе и в митозе; 4) сцепление генов и кроссинговер. И сформулированы основные положения теориии: 1. Гены расположены в хромосомах в линейном порядке 2. Каждый ген занимает в хромосоме определенное место - локус 3. Гены, расположенные в одной хромосоме, образуют группу сцепления 4. Сцепление генов может нарушаться в результате кроссинговера 5. Частота кроссинговера между генами прямо пропорциональна расстоянию между ними 6. Расстояние между генами измеряется в морганидах (1 морганида - 1% кроссинговера) Дальнейшее развитие хромосомной теории связано с исследованием механизмов передачи наследственной программы в ряду клеточных и организменных поколений, т.е. механизмов митоза и мейоза, а также структурно-функциональной организации хромосом. В этот период развитие хромосомной теории наследственности сопровождалось исследованием поведения мейотических хромосом у межвидовых гибридов, благодаря чему была описана система генетического контроля мейоза. Открытие структуры ДНК Первая страница в истории изучения нуклеиновых кислот написана швейцарским биохимиком, Фридрихом Мишером (1844- 1895), который общепризнанно считается исследователем, первым открывшим нуклеиновую кислоту. В ходе исследований подвергнув клеточные ядра длительному воздействию слабого раствора соды с последующим осаждением кислотой, ему удалось экстрагировать из них вещество с ранее неизвестными свойствами. Мишер предположил, что полученное им вещество относится к новому классу органических веществ и назвал 5 его "нуклеином". Осенью 1869 г., вернувшись в Базель, Мишер занялся преподаванием и в весной 1870 г. продолжил дальнейшее изучение нуклеина. Нуклеин он выделял из сперматозоидов лосося. Полученные результаты в ходе исследования легли в основу второй и последней публикации Мишера, посвященной нуклеину. В ней отмечалось, что нуклеин является высокомолекулярным соединением и, потому, не проходит через пергаментные фильтры. В 1874 г. В.Пиккард обнаружил в составе нуклеина азотистое вещество, как оказалось идентичное гуанину. И так последовательно, один за другим ученые открывали новые компоненты этого органического вещества. В итоге в 1953 г. на страницах апрельского номера журнала «Nature» появилось небольшое сообщение о структуре дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), предложенной Джеймсом Уотсоном и Френсисом Криком. Осознав, что пуриновые основания должны связываться только с пиримидиновыми водородными связями, (иначе происходило несоответствие длин азотистых оснований и появлялись несимметричные разницы в диаметрах) они предложили модель строения, обеспечивающую постоянство диаметра спирали на всей молекуле (рис. 1). Рис.1. – Вырезка статьи журнала «Nature» 1953 г. [4] С открытием структуры молекулы ДНК в генетике началась новая эпоха открытий. 2.2 Репликация и передача генетической информации 6 Открытие двойной спирали ДНК, наконец, предложило молекулярный субстрат, ответственный за способность живых систем к конвариантной редупликации, о которой говорил Тимофеев-Ресовский. Вскоре М. Мезельсономи Ф. Сталем был доказан полуконсервативный механизм репликации ДНК. С 1953 г. стало очевидным, что наследственность тесно связана с матричными процессами в клетке, как об этом заявил Г. Понтекорво, открывая в 1963 г. в Англии симпозиум, многозначительно названный «От менделевских факторов к генетическому коду». Был открыт первый матричный процесс, ответственный за воспроизведение генетического материала. Ключевым моментов в этом процессе была способность оснований взаимодействовать, образуя комплементарные пары при помощи водородных связей. Вскоре была показана решающая роль этих взаимодействий в другом важном генетическом процессе – транскрипции (рис.2). Рис. 2. – Схема транскрипции [5]. Было доказано, что те же самые Уотсон-Криковские взаимодействия играют решающую роль в третьем матричном процессе – трансляции. Значение этих трех матричных процессов для хранения, воспроизведения и реализации генетической информации было суммировано Ф. Криком в его «Центральной догме молекулярной биологии» (рис. 3). 7 Рис. 3. – Центральная догма молекулярной биологии [5]. 2.3 Генетические технологии Первым этапом в развитии генной инженерии является попытка расшифровать геном живого организма. Ученые впервые пробовали понять, за какие конкретно функции в организме живого существа отвечает тот или иной отдельно взятый ген. В 1972 году Пол Берг, Уолтер Гилберт и Фредерик Сенгер получили первую рекомбинантную ДНК из фрагмента ДНК обезьяньего вируса ОВ40 и бактериофага λ dvgal с галактозным опероном Е. соli. Толчком для дальнейшего развития генной инженерии стали работы по применению метода распознавания последовательности нуклеотидов в фрагментах нуклеиновых кислот. Такими векторами служат рекомбинантные молекулы ДНК-плазмид, которые сочетают в себе гены разных плазмид или несут гены, выделенные из хромосом разных видов. Выделенный или синтезированный ген, предназначенный для изменения наследственности каких-то клеток, должен быть доставлен и внедрен в эти клетки. Для создания рекомбинантных плазмид требуются многие ферменты типа рестриктаз, липаз, нуклеаз, ДНК – полимераз и др. С помощью рекомбинантных плазмид можно проводить множественное копирование молекул ДНК, необходимых для синтеза разнообразных белков. Смесь фрагментов ДНК клетки – донора образует новую, так называемую рекомбинантную молекулу ДНК, в которую вставлен нужный ген, перенесенный с помощью плазмиды в геном микроорганизма кишечной палочки (рис.4). Этим путем были синтезирован ген инсулина человека Фредериком Сэнгером в 1963 г. За работы по расшифровки структуры белков ему была присуждена Нобелевская премия. 8 Рис. 4. – Схема получения инсулина [7] Современная генная инженерия пользуется комплексом разнообразных методов и технологий на молекулярном уровне. Для конструирования новых генетических структур на молекулярном уровне служат следующие методы: - выделение молекул ДНК из различных естественных природных веществ; - разделение молекул ДНК на фрагменты с помощью различных ферментов (эндонуклеаз, рестриктаз, ДНК – полимераз и т.п.); - склеивание фрагментов ДНК разной структуры ферментом липазой для образования новых генетических комплексов; - конструирование рекомбинантных ДНК с использованием векторов в виде фагов, бактерий и плазмид. Полимеразная цепная реакция (ПЦР) — метод молекулярной биологии, позволяющий добиться значительного увеличения малых концентраций 9 определённых фрагментов нуклеиновой кислоты (а именно ДНК) в биологическом материале (рис. 5). А. Корнберг в 1955 году открыл фермент, который назвал ДНКполимеразой. Этот фермент способен удлинять короткие олигонуклеотидные затравки (праймеры), присоединяя к 3’-концу цепи ДНК дополнительный нуклеотид. Клеппе и соавторы в 1971 году представили данные, касающиеся состава ингредиентов реакционной смеси, и принципы использования коротких искусственно синтезированных молекул ДНК-праймеров для получения новых копий ДНК. Т. Брок и Х.Фриз в 1975 году открыли Thermus aquaticus – грамотрицательную палочковидную экстремально термофильную бактерию, а позднее из нее была впервые выделена Taqполимераза. Преимуществом данного фермента была способность стабильно работать при повышенных температурах (оптимум 72–80°C). В 1983– 1984 годах К. Мюллис (США) провел ряд экспериментов по разработке ПЦР и первым начал использовать Taq-полимеразу вместо неустойчивой к высоким температурам ДНК-полимеразы. Это позволило ускорить работы по разработке полимеразной цепной реакции. Кроме того, К. Мюллис вместе с Ф. Фалуном разработал алгоритм циклических изменений температуры в ходе ПЦР. Таким образом, сформировался принцип использования ПЦР как метода амплификации in vitro заданных фрагментов ДНК с полностью или частично известной последовательностью. Рис. 5. - Схематическое изображение механизма ПЦР [8]. Секвенированием называют процесс определения точного порядка расположения нуклеотидов в молекуле ДНК. Открытия, сделанные в 70х гг. прошлого века Сэнгером и Максамом – Гилбертом, позволили 10 совершить революцию в мире биологических наук, сделав секвенирование рабочим инструментом для большого количества исследователей в биологии, медицине, криминалистике и т.д. За последние 40 лет секвенирование ДНК значительно продвинулось с точки зрения приборного оснащения, инструментов и методик секвенирования. Технологии метода химической деградации, предложенные Максамом и Гилбертом, метод дидезокси-терминации цепи, разработанный командой Sanger в 1977 г. Суть этого метода заключается в том, что в реакционную смесь добавляют аналоги привычных нуклеотидов (дидезоксинуклеозидтрифосфаты), включение которых в синтезируемую цепь приводит к невозможности ее дальнейшего синтеза (терминации), а по образовавшемуся «обломку» можно установить последнюю букву секвенируемого фрагмента ДНК (рис. 7). А автоматическое секвенирование с помеченной флуоресценцией в 1990-х гг. вместе сформировали первое поколение секвенирования (FGS) Рис. 6. - метод секвенирования ДНК, предложенный Ф. Сэнгером и А. Коулсоном [9]. 11 Рис. 7. – метод терминации [9]. Секвенирование Сэнгера позволило секвенировать бактериофаг PhiX 174, который содержит приблизительно 5375 нуклеотидов. Это исследование стало первым полностью секвенированным геномом в 1977 г. В 2003 г. международный проект консорциума "Геном человека" (HGP) успешно секвенировал и картировал весь геном человека, который завершился после 13 лет исследований во многих лабораториях мира. Секвенирование второго поколения (SGS) или секвенирование следующего поколения (NGS) относится к высокопроизводительным технологиям секвенирования ДНК, которые могут секвенировать миллионы или миллиарды нитей ДНК. При этом процесс определения последовательности происходит с использованием ферментативной репликации или амплификации, обеспечивающей значительную пропускную способность и многократное секвенирование целевых областей. Секвенирование третьего поколения (TGS) характеризуется путем добавления нуклеотидов по одному для получения длинных и точных результатов секвенирования, в то время как технология амплификации не используется. Одноклеточное секвенирование также характерно для технологии TGS. CRISPR/Cas9 — это технология редактирования геномов высших организмов, базирующаяся на иммунной системе бактерий. В качестве высокоточного инструмента редактирования ДНК технология CRISPRCas9 была разработана в 2012–2013 годах Дженнифер Дудна и Эммануэлем Шарпантье. В основе этого механизма лежат особые участки генома — CRISPR, обнаруженные впервые в 1987 году Ёсидзуми Исино у кишечной палочки (Escherichia coli) и представляющие собой одинаковые повторяющиеся последовательности (CRISPR, clustered regularly interspaced short palindromic repeats), чередующиеся с уникальными участками (спейсерами). Эти уникальные последовательности — «фотоальбом», 12 в котором бактерия хранит «фотографии» всех патогенов, ранее встреченных ею или ее предками. Благодаря этим «фотографиям» при будущих встречах с данными патогенами бактерия имеет высокие шансы вовремя распознать их и обезоружить. Помогают ей в этом специальные комплексы белков Cas, ассоциированные в геноме с CRISPR-локусами и участвующие в уничтожении чужеродного генетического материала, а также помогающие добавлять и запоминать фотографии новых патогенов, попадающих в клетку. Осуществляется это запоминание за счет вырезания характерного для данного патогена участка ДНК и встраивания его в виде нового спейсера в геном бактерии (рис. 8). Рис. 8. – механизм работы CRISPR/Cas9 систем [10]. Будучи успешно испытанной на клетках многих модельных организмов и доказав свою эффективность на этой стадии, технология CRISPR-Cas9 приковала всеобщее внимание как перспективный инструмент в клинической практике для лечения многих заболеваний, включая наследственные и онкозаболевания. 13 2.4 Перспективы исследований в области генетики 1) Персонализированная медицина Персонализированная медицина — это подход, который позволяет адаптировать медицинское лечение под индивидуальные генетические и молекулярные особенности пациента. - Геномное секвенирование: Современные технологии, такие как секвенирование следующего поколения (NGS), позволяют быстро и недорого анализировать геномы, что помогает в выборе наиболее эффективных и безопасных методов лечения. - Фармакогенетика: Исследования показывают, что генетические вариации могут влиять на реакцию пациента на медикаменты. Персонализированные схемы лечения могут снизить риск побочных эффектов и повысить эффективность терапии. - Прогнозирование заболеваний: На основе анализа генетической информации можно предсказать предрасположенность к определенным заболеваниям, что позволяет внедрять профилактические меры и раннюю диагностику. 2) Изучение старения Старение — сложный биологический процесс, который имеет генетическую основу и привлекает внимание ученых по всему миру. - Генетические маркеры старения: Исследования показывают, что определенные гены связаны с длительностью жизни и старением клеток. Изучение этих маркеров может помочь понять, как замедлить старение и улучшить качество жизни пожилых людей. - Терапии на основе стволовых клеток: Исследования в области стволовых клеток открывают возможности для восстановления тканей и органов, что в свою очередь может замедлить процесс старения на уровне организма. - Биомаркеры старения: Разработка биомаркеров, которые позволят измерять биологический возраст пациента, открывает новые горизонты в диагностике и профилактике возрастных заболеваний. 3) Диагностика рака 14 Генетика играет ключевую роль в понимании канцерогенеза, а также в разработке методов диагностики и лечения рака. - Генетические тесты: Диагностика рака на основе генетических тестов позволяет определить молекулярные подтипы опухолей. Это способствует более точной прогностической оценке и выбору методов лечения. - Таргетная терапия: Разработка лекарств, нацеленных на конкретные генетические мутации в опухолевых клетках, позволила значительно повысить эффективность лечения рака (например, ингибиторы тирозинкиназ при раке легких). - Иммунотерапия: Применение генетически модифицированных клеток иммунной системы для борьбы с раковыми клетками — один из самых перспективных методов в онкологии, который продолжается активно исследоваться. 3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ: Таким образом, в первое десятилетие 20-го века была основана новая наука – генетика и заложен фундамент принципиально новых направлений в развитии биологии. Венцом этих исследований являются современные достижения в селекции, биотехнологии, генной инженерии. Во второе десятилетие 20-го века были открыты новые методы статистического и биологического анализа, позволившие описать множество биологических процессов. В целом, достижения генетики 20 века заложили фундамент для понимания жизни на молекулярном уровне и открыли новые возможности для улучшения качества жизни и здоровья человека. 4. СПИСКОК ЛИТЕРАТУРЫ: 1. Осолодкова, Е. В. История открытий Г. Менделя / Е. В. Осолодкова // Проблемы научно-практической деятельности. Поиск и выбор инновационных решений : Сборник статей Международной научнопрактической конференции, Челябинск, 27 апреля 2021 года. – Уфа: Общество с ограниченной ответственностью "ОМЕГА САЙНС", 2021. – С. 9-11. – EDN WZXGEP. 2. Сорокина Т.С. История медицины. – 7-е изд., испр. / Т.С. Сорокина // Москва: Издательский центр «Академия». – 2014. – 560 с. 15 3. Беляков В.К., Билева Д.С., Василенко И.А, Горячева И.И., Кузнецов А.Б., Лукьяница А.А., Мантурова Н.Е., Монахова М.А., Ситников В.Ф., Сухенко Е.П., Тверье Е.А., Черепанова Е.В., Шмелькова А.О., Юсуфов М.И. Интерфазное ядро как биосенсорная система в клиническом мониторинге. М., 2014. 252 с. 4. С М. Мамедова К 50-летию открытия структуры ДНК // Биомедицина (Баку). 2003. №1. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/k-50-letiyuotkrytiya-struktury-dnk 5. Инге-вечтомов С. Г. Матричный принцип в биологии (прогилое, настоящее, будущее?) // Экологическая генетика. 2003. №Спецвыпуск. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/matrichnyy-printsip-v-biologiiprogiloe-nastoyaschee-buduschee 6. Огурцов А.Н., Близнюк О.Н., Масалитина Н.Ю. Основы генной инженерии. – Харьков: НТУ «ХПИ». – 2018. – Ч.1. – 288 с. 7. Саткеева А. Б., Сидорова К. А. Молекулярная биотехнология. – 2023 8. Ф Н. Гильмиярова, Н А. Колотьева, О А. Гусякова, И Ф. Сидорова Полимеразная цепная реакция. История открытия. Новый этап развития // Ремедиум Приволжье. 2017. №4 (154). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/polimeraznaya-tsepnaya-reaktsiya-istoriyaotkrytiya-novyy-etap-razvitiya 9.URL: https://biomolecula.ru/ 10. URL: https://biomolecula.ru/articles/ot-slov-k-delu-tekhnologiiu-crisprcas-vpervye-primenili-dlia-lecheniia-onkozabolevanii 16
