Редактирование генов человека: начало. Изменение собственных генов всего лишь одной инъекциeй – если, конечно, вы везучи Интернет-магазин The ODIN начнет продавать наборы для редактирования генного кода

Данная брошюра содержит информацию о том, что такое хромосомные нарушения, как они могут наследоваться, и какие проблемы могут быть с ними связаны. Данная брошюра не может заменить Ваше общение с врачом, однако она может помочь Вам при обсуждении интересующих Вас вопросов.

Для того, чтобы лучше понять, что представляют собой хромосомные нарушения, вначале будет полезно узнать, что такое гены и хромосомы.

Что такое гены и хромосомы?

Наше тело состоит из миллионов клеток. Большинство клеток содержат полный набор генов. У человека тысячи генов. Гены можно сравнить с инструкциями, которые используются для контроля роста и согласованной работы всего организма. Гены отвечают за множество признаков нашего организма, например, за цвет глаз, группу крови или рост.

Гены расположены на нитевидных структурах, называемых хромосомами. В норме в большинстве клеток организма содержится по 46 хромосом. Хромосомы передаются нам от родителей - 23 от мамы, и 23 от папы, поэтому мы часто похожи на своих родителей. Таким образом, у нас два набора по 23 хромосомы, или 23 пары хромосом. Так как на хромосомах расположены гены, мы наследуем по две копии каждого гена, по одной копии от каждого из родителей. Хромосомы (следовательно, и гены) состоят из химического соединения, называемого ДНК.

Рисунок 1: Гены, хромосомы и ДНК

Хромосомы (см. Рисунок 2), пронумерованные от 1 до 22, одинаковые у мужчин и у женщин. Такие хромосомы называют аутосомами. Хромосомы 23-й пары различны у женщин и мужчин, и их называют половыми хромосомами. Есть 2 варианта половых хромосом: Х-хромосома и Y-хромосома. В норме у женщин присутствуют две Х-хромосомы (ХХ), одна из них передается от матери, другая - от отца. В норме у мужчин есть одна X-хромосома и одна Y-хромосома (XY), при этом Х-хромосома передается от матери, а Y-хромосома - от отца. Так, на Рисунке 2 изображены хромосомы мужчины, так как последняя, 23-я, пара представлена сочетанием XY.

Рисунок 2: 23 пары хромосом, распределенные по размеру; хромосома под номером 1 - самая большая. Две последние хромосомы - половые.

Хромосомные изменения

Правильный хромосомный набор является очень важным для нормального развития человека. Это связано с тем, что гены, которые дают «инструкции к действиям» клеткам нашего организма, находятся на хромосомах. Любое изменение количества, размера или структуры наших хромосом может означать изменение количества или последовательности генетической информации. Такие изменения могут привести к трудностям в обучении, задержке развития и другим проблемам здоровья ребенка.

Хромосомные изменения могут быть унаследованы от родителей. Чаще всего хромосомные изменения возникают на этапе формирования яйцеклетки или сперматозоида, или при оплодотворении (вновь возникшие мутации, или мутации de novo). Эти изменения невозможно контролировать.

Существует два основных типа хромосомных изменений. Изменение числа хромосом. При таком изменении существует увеличение или уменьшение числа копий какой-либо хромосомы. Изменение структуры хромосом. При таком изменении материал какой-либо хромосомы поврежден, или изменена последовательность генов. Возможно появление дополнительного или утрата части исходного хромосомного материала.

В данной брошюре мы рассмотрим хромосомные делеции, дупликации, инсерции, инверсии и кольцевые хромосомы. Если Вас интересует информация о хромосомных транслокациях, пожалуйста, обратитесь к брошюре «Хромосомные транслокации».

Изменение числа хромосом.

В норме в каждой клетке человека содержится 46 хромосом. Однако, иногда ребенок рождается либо с большим, либо с меньшим числом хромосом. В таком случае возникает, соответственно, либо избыточное, либо недостаточное число генов, необходимых для регуляции роста и развития организма.

Один из наиболее распространенных примеров генетического заболевания, вызванного избыточным числом хромосом, является синдром Дауна. В клетках людей с этим заболеванием находится 47 хромосом вместо обычных 46-ти, так как присутствует три копии 21-ой хромосомы вместо двух. Другими примерами заболеваний, вызванных избыточным числом хромосом являются синдромы Эдвардса и Патау.

Рисунок 3: Хромосомы девочки (последняя пара хромосом ХХ) с синдромом Дауна. Видны три копии 21-ой хромосомы вместо двух.

Изменение структуры хромосом.

Изменения в структуре хромосом происходят, когда материал определенной хромосомы поврежден, или изменена последовательность генов. К структурным изменениям также относятся избыток или утрата части хромосомного материала. Это может происходить несколькими путями, описанными ниже.

Изменения структуры хромосом могут быть очень небольшими, и специалистам в лабораториях бывает сложно их выявить. Однако даже если структурное изменение найдено, часто бывает сложно предсказать влияние этого изменения на здоровье конкретного ребенка. Это может разочаровать родителей, которые хотят получить исчерпывающую информацию о будущем своего ребенка.

Транслокации

Если Вы хотите больше узнать о транслокациях, пожалуйста, обратитесь к брошюре «Хромосомные транслокации».

Делеции

Термин «хромосомная делеция» означает, что часть хромосомы утрачена или укорочена. Делеция может случиться в любой хромосоме и на протяжении любой части хромосомы. Делеция может быть любого размера. Если утраченный при делеции материал (гены) содержал важную информацию для организма, то у ребенка могут возникать трудности в обучении, задержка развития и другие проблемы со здоровьем. Тяжесть этих проявлений зависит от размеров утраченной части и локализации внутри хромосомы. Примером такого заболевания является синдром Жубер.

Дупликации

Термин «хромосомная дупликация» означает, что часть хромосомы удвоена, и из-за этого возникает избыток генетической информации. Этот избыточный материал хромосомы означает, что организм получает слишком большое число «инструкций», и это может привести к трудностям в обучении, задержке развития и другим проблемам здоровья ребенка. Примером заболевания, вызванного дупликацией части хромосомного материала является моторно-сенсорная нейропатия типа IA.

Инсерции

Хромосомная инсерция (вставка) означает, что часть материала хромосомы оказалась «не на своем месте» на этой же или на другой хромосоме. Если общее количество хромосомного материала не изменилось, то такой человек, как правило, здоров. Однако если такое перемещение приводит к изменению количества хромосомного материала, то у человека могут возникать трудности в обучении, задержка развития и другие проблемы здоровья ребенка.

Кольцевые хромосомы

Термин «кольцевая хромосома» означает, что концы хромосомы соединились, и хромосома приобрела форму кольца (внорме хромосомы человека имеют линейную структуру). Обычно это происходит, когда оба конца одной и той же хромосомы укорочены. Оставшиеся концы хромосомы становятся «липкими» и соединяются, формируя «кольцо». Последствия формирования кольцевых хромосом для организма зависят от размера делеций на концах хромосомы.

Инверсии

Хромосомная инверсия означает такое изменение хромосомы, при котором часть хромосомы развернута, и гены в этом участке расположены в обратном порядке. В большинстве случаев носитель инверсии здоров.

Если у родителя обнаружена необычная хромосомная перестройка, как это может отразиться на ребенке?

Возможны несколько исходов каждой беременности:

• Ребенок может получить совершенно нормальный набор хромосом.
• Ребенок может унаследовать такую же хромосомную перестройку, которая есть у родителя.
• У ребенка могут быть трудности в обучении, задержка развития или другие проблемы со здоровьем.
• Возможно самопроизвольное прерывание беременности.

Таким образом, у носителя хромосомной перестройки могут рождаться здоровые дети, и во многих случаях происходит именно так. Так как каждая перестройка уникальна, Вашу конкретную ситуацию следует обсудить с врачом-генетиком. Часто бывает, что ребенок рождается с хромосомной перестройкой, несмотря на то, что хромосомный набор родителей нормальный. Такие перестройки называют вновь возникшими, или возникшими “de novo” (от латинского слова). В этих случаях риск повторного рождения ребенка с хромосомной перестройкой у этих же родителей очень мал.

Диагностика хромосомных перестроек

Возможно проведение генетического анализа для выявления носительства хромосомной перестройки. Для анлиза берется образец крови, и клетки крови исследуют в специализированной лаборатории для выявления хромосомных перестроек. Такой анализ называется кариотипированием. Также возможно проведение теста во время беременности для оценки хромосом плода. Такой анализ называется пренатальной диагностикой, и этот вопрос следует обсудить с врачом-генетиком. Более подробная информация на эту тему представлена в брошюрах «Биопсия ворсин хориона» и «Амниоцентез».

Как это касается других членов семьи

Если у одного из членов семьи обнаружена хромосомная перестройка, возможно, Вы захотите обсудить этот вопрос с другими членами семьи. Это даст возможность другим родственникам, при желании, пройти обследование (анализ хромосом в клетках крови) для определения носительства хромосомной перестройки. Это может быть особенно важно для родственников, уже имеющих детей или планирующих беременность. Если они не являются носителями хромосомной перестройки, они не могут передать ее своим детям. Если же они являются носителями, то им может быть предложено пройти обследование во время беременности для анализа хромосом плода.

Некоторым людям сложно обсуждать проблемы, связанные с хромосомной перестройкой, с членами семьи. Они могут бояться причинить беспокойство членам семьи. В некоторых семьях люди из-за этого испытывают сложности в общении и теряют взаимопонимание с родственниками. Врачи-генетики, как правило, имеют большой опыт в решении подобных семейных ситуаций и могут помочь Вам в обсуждении проблемы с другими членами семьи.

Что важно помнить

• Хромосомная перестройка может как наследоваться от родителей, так и возникать в процессе оплодотворения.
• Перестройку нельзя исправить - она остается на всю жизнь.
• Перестройка не заразна, например, ее носитель может быть донором крови.
• Люди часто испытывают чувство вины в связи с тем, что в их семье есть такая проблема, как хромосомная перестройка. Важно помнить, что это не является чьей-либо виной или следствием чьих-либо действий.
• Большинство носителей сбалансированных перестроек могут иметь здоровых детей.

Изменения структурных генов.

1) «Сдвиг рамки считывания» - вставка или выпадение пары или нескольких пар нуклеотидов. Например, исходный порядок нуклеотидов: АГГАЦТЦГА..., а после вставки нуклеотида: ААГГАЦТЦГА...; в зависимости от места вставки или выпадения нуклеотидов изменяется меньшее или большее число кодонов.

2) Транзиция - замена оснований: пуринового на пуриновое, или пиримидинового на пиримидиновое; например: А ↔ Г, Ц ↔ Т; при этом изменяется тот кодон, в котором произошла транзиция.

3) Трансверзия - замена пуринового основания на пи­римидиновое или пиримидинового на пуриновое. Например: А ↔ Ц, Г ↔ Т; изменяется тот кодон, в котором произошла трансверзия.

Изменения структурных генов приводят к: а) мисценс-мутациям - замене нуклеотида в кодирующей части гена, приводящей к замене аминокислоты в полипептиде; б) нонсенс-мутациям - образованию «бессмысленных» кодонов (УАА, УАГ, УГА), не кодирующих аминокислоты (терминаторы, определяющие окончание считывания), и прекращению трансляции.

1) Белок-репрессор «не подходит» к гену-оператору («ключ не входит в замочную скважину») - структурные гены работают постоянно (белки синтезируются все время).

2) Белок-репрессор плотно «присоединяется» к гену-оператору и не снимается индуктором («ключ не выходит из замочной скважины») - структурные гены постоянно не работают, и не синтезируются белки, закодированные в данном транскриптоне.

3) Нарушение чередования репрессии и индукции - при отсутствии индуктора специфический белок синтезируется, а при его наличии – не синтезируется. Вышеназванные нарушения работы транскриптонов связаны с мутациями гена-регулятора или гена-оператора.

Некоторые мутации не оказывают влияния на функцию соответствующего полипептида. Значительная часть генных мутаций нарушает функционирование гена и приводит к развитию генных болезней. Фенотипически генные мутации проявляются признаками нарушений метаболизма, частота которых в популяциях человека составляет 1-2% (фенилкетонурия, гемофилии, нейрофиброматоз, муковисцидоз, мышечная дистрофия Дюшенна-Беккера, гемоглобинопатия S). Они выявляются биохимическими методами и методами рекомбинантной ДНК.

По последствиям генные мутации классифицируют на нейтральные , регуляторные и динамические .

Нейтральная (молчащая) мутация - не имеет фенотипического выражения (например, замена нуклеотидов, не приводящая к замене аминокислоты в силу вырожденности генетического кода).

Регуляторная мутация - мутация в 5"- или З" - нетранслируемых областях гена; нарушает экспрессию гена.

Динамические мутации - обусловлены увеличением числа тринуклеотидных повторов в функционально значимых частях гена. Такие мутации могут привести к торможению или блокаде транскрипции, приобретению белковыми молекулами свойств, нарушающих их нормальный метаболизм.

ХРОМОСОМНЫЕ МУТАЦИИ

На хромосомном уровне организации наследственный материал обладает всеми характеристиками субстрата наследственности и изменчивости, в том числе способностью к приобретению изменений, которые могут передаваться новому поколению . Под влиянием различных воздействий физико-химическая и морфологическая структура хромосом может изменяться. Разрывы хромосом происходят закономерно в ходе кроссинговера , когда гомологичные хромосомы обмениваются соответствующими участками. Нарушение кроссинговера, при котором хромосомы обмениваются неравноценным генетическим материалом, приводит к появлению новых групп сцепления с изменением числа генов. При хромосомных мутациях последовательность нуклеотидов в генах обычно не меняется, но изменение числа или положения генов может привести к генетическому дисбалансу, что пагубно сказывается на нормальном развитии организма.

Хромосомные аберрации могут быть внутрихромосомными , межхромосомными и изохромосомными .

К внутрихромосомным относятся перестройки внутри одной хромосомы.

1) Делеции (нехватки) - выпадение части хромосомы (утрата сегмента ДНК размером от одного нуклеотида до целых генов) – может стать причиной нарушения эмбриогенеза и формирования множественных аномалий развития. Например, делеция участка короткого плеча 5-ой (5р-) хромо­сомы у человека приводит к развитию синдрома кошачьего крика (недоразвитие гортани, ВПР сердца, отставание умственного развития; у больных детей из-за аномалии гортани плач напоминает кошачье мяуканье). При делеции теломеров обоих плеч хромосомы часто наблюдается замыкание оставшейся структуры в кольцо - кольцевые хромосомы . При выпадении центромерного участка образуются децентрические хромосомы .

2) Дупликация - удвоение участка хромосомы. Результатом дупликации во второй хромосоме мухи дрозофилы может служить появление полосковидных глаз. Например, трисомия по короткому плечу хромосомы 9 приводит к появлению множественных ВПР, включая микроцефалию, задержку физического, психического и интеллектуального развития.

3) Инверсия - отрыв фрагмента хромосомы, поворот его на 180° и прикрепление к месту отрыва. При этом наблюдается нарушение порядка расположения генов.

4) Инсерция - вставка фрагментов ДНК размером от одного нуклеотида до целого гена.

5) Транспозиция - присоединение фрагмента к своей же хромосоме, но в другом месте.

Делеции и дупликации проявляются фенотипически всегда, так как изменяется набор генов и наблюдаются частичные моносомии (моносомии по части хромосомы) при нехватках и частичные трисомии - при дупликациях. Инверсии и транслокации фенотипически проявляются не всегда; они могут быть сбалансированными, когда не происходит ни увеличения, ни уменьшения генетического материала и сохраняется общий баланс генов в геноме. При инверсиях и транслокациях затрудняется конъюгация гомологичных хромосом, что может служить причиной нарушения при распределении генетического материала между дочерними клетками.

Межхромосомные перестройки происходят между негомологичными хромосомами.

Транслокация - это обмен сегментами между негомологичными хромосомами. Различают транслокации:

- реципрокные , когда две хромосомы обмениваются сегментами;

- нереципрокные , когда сегменты одной хромосомы переносятся в другую;

- робертсоновские , когда две акроцентрические хромосомы соединяются своими центромерными районами с потерей коротких плеч; в результате образуется одна метацентрическая хромосома.

Изохромосомные аберрации - образование одинаковых, но зеркальных фрагментов двух разных хромосом, содержащих одни и те же наборы генов. Это происходит в результате поперечного разрыва хроматид через центромеры (отсюда другое название - центрическое соединение).

Хромосомные аберрации выявляются цитогенетическими методами.

ГЕНОМНЫЕ МУТАЦИИ

Геномные мутации характеризуются изменением числа хромосом. Причиной геномных мутацийможет быть нарушение процессов, протекающих в мейозе. Нарушение расхождения бивалентов в анафазе приводит к появлению гамет с разным количеством хромосом (на каждую гамету с лишней хромосомой приходится другая - без одной хромосомы). Оплодотворение таких гамет нормальными половыми клетками приводит к изменению общего числа хромосом в кариотипе за счет уменьшения (моносомия ) или увеличения (трисомия ) числа отдельных хромосом.

Анеуплоидия - некратное гаплоидному уменьшение или увеличение числа хромосом (2n±1, 2n±2 и т. д.). Разновидности анеуплоидии: а) трисомия - три гомологичных хромосомы в кариотипе, например, при синдроме Дауна (трисомия по 21-й хромосоме), синдроме Эдвардса (трисомия по 18-й паре хромосом), синдроме Патау (трисомия по 13-й паре); б) моносомия - в наборе только одна из пары гомологичных хромосом. Единственная совместимая с жизнью моносомия у человека – по хромосоме Х – приводит к развитию синдрома Шерешевского-Тернера (45,Х0). Моносомии по первым крупным парам хромосом являются для человека летальными мутациями. Нулисомия - отсутствие пары хромосом (летальная мутация).

При повреждении механизма распределения гомологичных хромосом клетка остается неразделившейся, и образуются диплоидные гаметы. Оплодотворение таких гамет приводит к увеличению числа наборов хромосом.

Полиплоидия - увеличение числа наборов хромосом, кратное гаплоидному (Зn, 4n, 5n, ...). Причины: двойное оплодотворение и отсутствие первого мейотического деления. Полиплоидия, как правило, используется в селекции растений и приводит к повышению урожайности. У млекопитающих и человека полиплоидия, а также большинство анеуплоидий, приводят к формированию леталей.

Гаплоидия (1n) - одинарный набор хромосом - например, у трутней пчел. Жизнеспособность гаплоидов снижается, так как в данном случае проявляются все рецессивные гены, содержащиеся в единственном числе. Для млекопитающих и человека - летальная мутация.

Геномные мутации обнаруживаются цитогенетическими методами. Они всегда проявляются фенотипически.

Патологические эффекты хромосомных и геномных мутаций проявляются на всех стадиях онтогенеза, поскольку вызывают нарушения:

Общего генетического баланса;

Скоординированности в работе генов;

Системности регуляции.

Они проявляются в двух взаимосвязанных вариантах:

Летальность;

Врожденные пороки развития.

Летальный исход хромосомных мутаций - один из главных факторов внутриутробной гибели, достаточно частой у человека. Многочисленные цитогенетические исследования материала спонтанных абортов, выкидышей и мертворожденных позволяют объективно судить об эффектах разных типов хромосомных аномалий во внутриутробном периоде индивидуального развития. Суммарный вклад хромосомных мутаций в число случаев внутриутробной гибели у человека составляет 45%. Среди перинатально погибших плодов частота хромосомных аномалий составляет 6%. В этих случаях летальные эффекты сочетаются с пороками развития, а точнее, реализуются через пороки.

Практически все хромосомные аномалии ведут к врожденным порокам развития . Более тяжелые их формы приводят к более раннему прерыванию беременности. Роль хромосомных и геномных мутаций не ограничивается только их влиянием на развитие патологических процессов в ранних периодах онтогенеза. Их эффекты прослеживаются в течение всей жизни.

В постнатальном периоде хромосомные мутации возникают в соматических клетках постоянно с невысокой частотой (около 2%). Такие клетки содержат специфические для них белки и в нормеэлиминируются иммунной системой, если они проявляют себя чужеродно. Однако в некоторых случаях хромосомные аномалии являются причиной злокачественного роста.

Облучение и химические мутагены, индуцирующие хромосомные аберрации, вызывают гибель клеток и, тем самым, способствуют развитию лучевой болезни, аплазии костного мозга. Имеются экспериментальные доказательства накопления клеток с хромосомными аберрациями в процессе старения.

ГЕНЕТИЧЕСКИЕ КОНЦЕПЦИИ КАНЦЕРОГЕНЕЗА

В настоящее время установлено, что при канцерогенезе изменения происходят на молекулярно-генетическом уровне и затрагивают механизмы, отвечающие за размножение, рост и дифференцировку клеток. Хронологически можно выделить несколько теорий (концепций) канцерогенеза.

1. Мутационная концепция. Впервые Г. де Фриз (1901) высказал предположение о том, что опухоли - это результат мутаций соматических клеток. Т. Бовери (1914) считал, что в основе канцерогенеза лежат геномные или хромосомные мутации. В дальнейшем было показано, что процесс канцерогенеза может происходить без структурных изменений в геноме, а обнаруживаемые в опухолевых клетках хромосомные и геномные мутации являются следствием перерождения клеток.

2. Вирусо-генетическая концепция. Еще в 1911 г. Ф. Раус впервые показал, что вирусы являются причиной саркомы кур. Затем была установлена вирусная природа некоторых других опухолей (лейкозов у кур, мышей и крыс, бородавок у человека и кроликов). Л.А. Зильбер (1944-1968) считал вирусы универсальной причиной злокачественного роста. Мутагены и канцерогены стимулируют активность вирусов, их геном включается в ДНК клетки и изменяет ее свойства.

3. Эпигеномная концепция. Ю.М. Оленов (1967) и А.Ю. Броновицкий (1972) считали, что в основе превращения нормальной клетки в опухолевую лежат стойкие нарушения регуляции генной активности, т.е. повреждаются функциональные гены.

4. Концепция онкогена. Р. Хюбнер (1969) и Г.И. Абелев (1975) объединили вторую и третью концепции. ДНК клеток любого организма содержит определенные участки - протоонкогены. Протоонкогены организм получает от предков, или их вносят интегративные вирусы. Они длительное время могут находиться в неактивном (репрессированном) состоянии. Активирование протоонкогенов может вызвать их мутация, внесение в клетку промотора вируса и др. Они преобразуются в онкогены, которые детерминируют синтез трансформирующих белков, превращающих нормальную клетку в опухолевую.

УРОВНИ ПАТОГЕНЕЗА НАСЛЕДСТВЕННЫХ БОЛЕЗНЕЙ

Основное звено патогенеза для многих наследственных заболеваний находится на клеточном уровне , где происходят патологические процессы, характерные для данной конкретной нозологической формы. Точкой приложения первичного действия мутантного гена являются отдельные структуры клетки, разные при различных болезнях: лизосомы, пероксисомы, мембраны, митохондрии.

На лизосомном уровне развертываются патогенетические процессыпри болезнях накопления в связи с нарушением активности лизосомных ферментов. Так, накопление в клетках, а затем и в основном межклеточном веществе, гликозаминогликанов (мукополисахаридов) приводит к развитию тяжелых заболеваний - мукополисахаридозов. Причина избыточного содержания этих полимеров - отсутствие их деградации в лизосомах, что связано с дефектами в группе специфических ферментов, катализирующих весь цикл деградации.

Если точкой приложения действия мутантного гена становятся пероксисомы, то развиваются пероксисомные болезни . Клинически эти заболевания проявляются в виде множественных врожденных пороков развития , в целом сходных при разных нозологических формах (множественные черепно-лицевые дисморфии, катаракта, почечные кисты и другие проявления).

Клеточные мембраны тоже могут быть ключевыми элементами патогенеза генных болезней. Так, отсутствие специфических белковых молекул-рецепторов на клеточной поверхности, связывающих липопротеиды низкой плотности, приводит к семейной гиперхолестеринемии

Клеточный уровень патогенеза генных болезней может прояв­ляться не только в конкретных органеллах, но и в виде наруше­ний скоординированности деятельности клетки. Например, мутации, затрагивающие области онкогенов, ведут к снятию контроля размножения клеток и, соответственно, к злокачественному росту.

На органном уровне при различных болезнях мишенью патологического процесса служат различные органы. Поражение их может быть первичным или вторичным:

Отложение меди в печени и экстрапирамидной системе мозга при гепатолентикулярной дегенерации (болезнь Вильсона-Коновалова) - первичный процесс;

Гемосидероз паренхиматозных органов при первичном гемохроматозе или талассемии развивается вторично вследствие усиленного распада эритроцитов.

КЛАССИФИКАЦИЯ НАСЛЕДСТВЕННЫХ БОЛЕЗНЕЙ

1. По виду клеток, в которых произошли мутации: а) гаметические; б) соматические.

2. По клиническим проявлениям: а) предрасположение к болезни; б) собственно болезни; в) особые формы болезни – уродства.

3. По виду наследственности и аномального гена: а) доминантные; б) рецессивные; в) полудоминантные.

4. Наиболее практичной является классификация в зависимости от уровня организации наследственного материала: а) генные; б) хромосомные.

В зависимости от вида первично поражённых клеток выделены следующие группы заболеваний:

болезни вследствие мутаций в половых клетках - «гаметические», т.е. собственно наследственные болезни (например, фенилкетонурия, гемофилии);

болезни вследствие мутаций в соматических клетках - «соматические» (например, опухоли, некоторые болезни иммунной аутоагрессии); эти заболевания не передаются по наследству;

болезни вследствие комбинации мутаций в половых и соматических клетках (например, семейная ретинобластома).

Отдельно рассматривают летальные , сублетальные и гипогенитальные заболевания:

летальные болезни – приводят к гибели во время внутриутробного развития (например, моносомии по аутосомам, гаплоидии, большинство полиплоидии);

сублетальные заболевания – приводят к гибели индивида до периода полового созревания (например, наследственные иммунодефициты типа агаммаглобулинемии швейцарского типа, синдром Луи-Бар , некоторые гемофилии);

гипогенитальные заболевания – сочетаются с бесплодием (например, синдромы Шерешевского-Тернера, Кляйнфельтера ).

Деление наследственных болезней на генные и хромосомные неформальное: генные мутации передаются из поколения в поколение в соответствии с законами Менделя, в то время как хромосомные болезни , обусловленные анэуплоидиями, вообще не наследуются (летальный эффект с генетической точки зрения), а структурные перестройки (инверсии, транслокации) передаются с дополнительными перекомбинациями.

В основу генетической классификации наследственной патологии положен этиологический принцип - тип мутации и характер взаимодействия наследственных факторов со средой .

Генетические болезни соматических клеток выделены в самостоятельную группу после обнаружения в клетках при злокачественных новообразованиях специфических хромосомных перестроек, вызывающих активацию онкогенов. Эти изменения в генетическом материале клеток являются этиопатогенетическими для злокачественного роста и поэтому могут быть отнесены к категории генетической патологии .

Болезни, возникающие при несовместимости матери и плода по антигенам , развиваются в результате иммунной реакции матери на антигены плода. В целом эта группа составляет значительную часть патологии и довольно часто встречается в медицинской практике. Наиболее типичное и хорошо изученное заболевание этой группы - гемолитическая болезнь новорожденных , возникающая в результате несовместимости матери и плода по резус-антигену. Болезнь возникает в тех случаях, когда мать имеет резус-отрицательную группу крови, а плод унаследовал резус-положительный аллель от отца.

Клиническая классификация наследственных болезней ничем не отличается от классификации ненаследственных болезней по органному, системному признаку или по типу поражения обмена веществ .

Поскольку наследственные болезни едины по этиологическому принципу (мутации), основу их классификации составляет, прежде всего, системный и органный принцип : нервные; нервно-мышечные; кожные; глазные; опорно-двигательного аппарата; эндокринные; крови; легких; сердечно-сосудистой системы; мочеполовой системы; желудочно-кишечного тракта. Такой подход неоднозначен. Можно найти очень немного наследственных болезней, при которых избирательно поражается одна система. Большинство генных мутаций, а тем более хромосомные и геномные, вызывают генерализованное повреждение какой-либо ткани или захватывают несколько органов. Поэтому многие наследственные болезни проявляются в виде синдромов или комплекса патологических признаков.

Несмотря на очевидную условность, клиническая классификация помогает врачу соответствующего профиля концентрировать внимание на наследственных болезнях, встречающихся в практике данной специальности.

Патогенетическая классификация основана на выделении основного патогенетического звена.

Биохимическая классификация наследственных болезней, проявляющихся в нарушении обмена веществ, объединяет генетически й и клинический подход и проводится по типу повреждения первичного звена обмена .

В зависимости от характера нарушения обмена веществ различают:

· Наследственные дефекты обмена углеводов.

Галактоземия, нарушение метаболизма лактозы, мукополисахаридозы, нарушение расщепления полисахаридов.

· Дефекты обмена липидов и липопротеидов.

Сфинголипидозы - нарушения расщепления структурных липидов и другие формы нарушения обмена липидов .

· Дефекты обмена аминокислот.

Фенилкетонурия, альбинизм - нарушение синтеза пигмента меланина из тирозина и др.

· Дефекты обмена витаминов.

Гомоцистинурия - развивается как результат генетического дефекта кофермента витаминов группы В.

· Дефекты обмена пуриновых и пиримидиновых оснований.

· Дефекты биосинтеза гормонов.

Адреногенитальный синдром, тестикулярная феминизация.

· Наследственные дефекты ферментов эритроцитов.

· Коллагеновые болезни – дефекты биосинтеза и распада коллагена - структурного компонента соединительной ткани.

Болезнь Эллерса-Данло, болезнь Марфана и ряд других заболеваний.

Болезни, вызванные дефектами генов, кодирующих ферменты, наследуются по аутосомно-рецессивному типу , а вызванные генами, кодирующими модуляторные белковые функции или рецепторы, - по аутосомно-доминантному или аутосомно-рецессивному. Болезни, вызванные генами транскрипционных факторов, относятся к группе аутосомно-доминантных .В геноме человека данное правило иногда нарушается, что обусловлено различными мутациями в одном и том же гене. Это необходимо учитывать при медико-генетическом консультировании.

В основе болезней, патогенез которых приводит к аномалиям морфогенеза, лежит нарушение дифференцировки клеток, приводящее к врожденным порокам развития (полидактилия, синдромы Хол-Орама, Крузона и др.).

Однако подавляющее большинство моногенных наследственных болезней относится к третьей группе - обусловленных комбинацией нарушения обмена веществ и аномалий морфогенеза (муковисцидозы, ахондроплазии, мышечные дистрофии и др.).

Формирование наследственных болезней во времени также имеет закономерности, связанные с функцией первичного продукта гена:

болезни транскрипционных факторов развиваются внутриутробно;

патология ферментов - в течение первого года жизни;

рецепторов - в возрасте от 1 года до пубертатного периода;

модулярной белковой функции - в период до 50 лет.

ВИДЫ И ЗАКОНОМЕРНОСТИ ТЕЧЕНИЯ ГЕННЫХ БОЛЕЗНЕЙ

В широко известном научному и медицинскому сообществу и ежедневно пополняемом Каталоге наследственных заболеваний человека (OMIM, Online Mendelian Inheritance in Man ) по состоянию на август 2001 г. перечислено не менее 4200 моногенных болезней, вызываемых мутациями конкретного гена. Общая частота генных болезней в популяциях людей составляет 2-4%. Для значительного числа поражённых генов идентифицированы разные аллели, количество которых для некоторых моногенных болезней достигает десятков и сотен. Врачу важно знать, что такой полиморфизм поражённого гена может привести и часто приводит к разным клиническим фенотипам в рамках одной моногенной болезни.

Генные болезни - разнообразная по клиническим проявлениям группа наследственных заболеваний, обусловленных мутациями на генном уровне. Основой для объединения их в одну группу служат этиологическая генетическая характеристика и закономерности наследования в семьях и популяциях. Согласно многочисленным исследованиям разных наследственных болезней и генома человека в целом, можно говорить о многообразии видов мутаций в одном и том же гене. Любой из этих видов мутаций может вести к наследственным болезням. Даже одна и та же генная болезнь может быть обусловлена разными мутациями.

При изучении белковых продуктов мутантных генов выделяют две группы мутаций. Первая группа связана с качественными изменениями белковых молекул, т.е. наличием у больных аномальных белков (например, аномальные гемоглобины), что обусловлено мутациями структурных генов. Другая группа заболеваний характеризуется количественными изменениями содержания нормального белка в клетке (повышение или снижение), что обусловлено, чаще всего, мутациями функциональных генов, т.е. связано с нарушениями регуляции работы генов.

Мутации, вызывающие наследственные болезни, могут затрагивать структурные, транспортные, эмбриональные белки, ферменты. Наследственные аномалии могут возникать на всех уровнях регуляции синтеза белков , обусловленных соответствующими ферментативными реакциями:

претранскрипционном (осуществляется путем увеличения или уменьшения числа копий гена);

траскрипционном (генетические дефекты в спейсерах, интронах, транспозонах, регуляторных белках могут приводить к нарушению транскрипции всего гена, обусловливающие изменение объема синтеза соответствующего белка);

процессинга и сплайсинга про-и-РНК (нарушения на уровне разрушения неинформативных участков про-и-РНК и сплавления информативных участков);

трансляционном (нарушения на уровне непосредственной сборки белковой молекулы в рибосоме);

посттрансляционном (нарушения на уровне образования вторичной, третичной и четвертичной структуры белковой молекулы).

Поскольку мутации в индивидуальных генах являются этиологическим фактором генных болезней, то закономерности их наследования соответствуют менделевским правилам расщепления в потомстве.

При рассмотрении генных болезней как менделирующих признаков организма считается, что речь идет о так называемых полных формах , то есть формах, обусловленных гаметическими мутациями. Это могут быть новые или унаследованные от предыдущих поколений мутации. Следовательно, в этих случаях патологические гены присутствуют во всех клетках организма.

Однако теоретически можно представить появление и мозаичных форм . Любые мутации, в том числе генные, могут возникать на ранних стадиях дробления зиготы в одной из клеток, и тогда индивид будет мозаичен по данному гену. В одних клетках у него будет функционировать нормальный аллель, в других - мутантный или патологический.

В случае генных болезней клиническая картина заболевания может сформироваться вследствие патогенетических эффектов мутаций разных генов, то есть сходное фенотипическое проявление болезни может быть обусловлено несколькими различными мутациями. Следовательно, в одну группу попадут разные с генетической точки зрения случаи (мутации в разных локусах или разные мутации в одном локусе) – генокопии . Вместе с этим, хотя и редко, могут встречаться фенокопии генных болезней - случаи, при которых повреждающие внешние факторы, действующие, как правило, внутриутробно, вызывают болезнь, по клинической картине в общих чертах сходную с наследственной. Противоположное состояние, когда при мутантном генотипе в результате средовых воздействий (лекарства, диета и т. д.) болезнь не развивается, называют нормокопированием.

Понятия о гено- и фенокопиях дают врачу следующие возможности: поставить правильный диагноз; более точно определить прогноз состояния здоровья больного или вероятность рождения больного ребенка; в конкретном случае предупредить развитие болезни у ребенка, унаследовавшего патологический ген.

В соответствии с генетическим принципом классификации генные болезни делят на группы по типам наследования

· аутосомно-доминантные;

· аутосомно-рецессивные;

· Х-сцепленные доминантные;

· Х-сцепленные рецессивные;

· Y-сцепленные (голандрические) и митохондриальные.

Отнесение болезни к той или иной группе позволяет врачу сориентироваться относительно ситуации в семье и определить вид медико-генетической помощи.

В основе практически всех генетических исследований лежит понятие вариации . Это понятие включает в себя все типы изменений последовательностей ДНК (мутаций ), наблюдаемых на хромосомном или генном уровнях. С одной стороны, вариации генома служат объяснением межиндивидульного разнообразия, с другой, мутации могут приводить к патогенным изменениям жизнедеятельности организма, являясь, таким образом, причиной наследственного заболевания. Следует также ввести несколько терминов, использующихся для описания процесса мутационного изменения ДНК: локус - определенный участок хромосомы, содержащий специфические последовательности ДНК или гены, аллель - две или более альтернативных формы гена, расположенных в одном и том же локусе пары гомологичных хромосом. Если различие последовательности ДНК двух аллелей одного локуса наблюдается с частотой более 1% в общей популяции, то данный тип вариации обозначается полиморфизмом . Изменение последовательности ДНК, имеющее меньшую частоту, как правило, называется мутацией . Известно два основных вида мутаций, связанных с наследственной патологией: хромосомные (изменение числа и/или структуры хромосом в клетке) и генные (изменение последовательности ДНК в конкретном гене). Исходя из данной классификации, можно выделить направления генетических исследований нарушений последовательности ДНК, приводящих к наследственным заболеваниям, которые изучает медицинская генетика , а именно, поиск изменений последовательностей нуклеиновых кислот и белков на молекулярном уровне (молекулярная генетика ) и изучение изменений числа, структуры и организации хромосом(медицинская цитогенетика ).

Молекулярно-генетические исследования основаны на современных представлениях об особенностях молекулы ДНК и биохимических процессах транскрипции и трансляции. Основная их цель заключается в выявлении генных мутаций, приводящих к характерным фенотипическим проявлениям. Генные мутации представляют собой изменение расположения, потерю и приобретение ДНК относительно её линейной последовательности, обнаруживаемой в норме. Наиболее частые типы генных мутаций являются замена, потери и/или вставки одного нуклеотида. Последние обозначаются аббревиатурой SNP (single nucleotide polymorphsims) и являются одними из наиболее частых в геноме человека. В среднем, SNP, ведущие к вариации между аллелями у одного индивидуума, встречаются в каждых 1500 пар нуклеотидов. Однако, большинство из них расположены в некодирущих последовательностях и, в основном, не имеют фенотипических последствий. Если изменение последовательности ДНК происходит в гене, кодирующем белок, то оно с высокой долей вероятности будет связано с нарушениями жизнедеятельности организма. Существует следующая классификация генных мутаций:

Миссенс мутации - замена одного нуклеотида на другой или несинонимические изменения последовательности ДНК . Теоретически можно выделить два типа подобных мутаций: консервативные инеконсервативные . Консервативные миссенс мутации приводят к замене одного кодона на равнозначный (кодоны, кодирующие один и тот же аминокислотный остаток) или на кодон другого аминокислотного остатка, который не изменяет физико-химические свойства белка, кодированного соответствующим геном. Неконсервативные миссенс мутации, как правило, изменяют биохимические свойства белка и, следовательно, приводят к нарушению его функциональной активности.

Нонсенс мутации - изменения кодирующей последовательности ДНК, приводящие к образованию стоп-кодона, вследствие чего синтезируется белок, в котором отсутствует какая-то часть его последовательности.

Мутация сдвига рамки считывания - любые изменения последовательности ДНК гена (в основном, потери или вставки нуклеотидов), которые приводят к сдвигу считывания последовательности в ходе транскрипции. Результатом этого является синтез совершенно нового белка или образование матричной РНК, не несущей в себе никакой информации относительно аминокислотной последовательности.

Непатогенные изменения последовательности ДНК - вариации последовательности ДНК, включающие консервативные миссенс мутации, или так называемые синонимические мутации , которые не изменяют закодированную информацию в ДНК гена или не воздействуют на функциональную активность белковых макромолекул.

Мутации также происходят в некодирующих последовательностях ДНК (интронах). Данный тип вариаций, как правило, не имеет фенотипических последствий. Тем не менее, при сдвиге рамки считывания или образовании альтернативных форм белковых макромолекул (альтернативный сплайсинг ), эти вариации могут приводить к нарушению функциональной активности белковых макромолекул и, как следствие, фенотипическим последствиям. В данном контексте сложностью представляется идентификация патогенных мутаций, так как понятие «нормы» в медико-генетических исследованиях достаточно относительно, в силу того, что на молекулярном уровне геном человека является в значительной степени нестабильным. Иными словами, только рекуррентные мутации (наиболее частые повторные мутации, которые выявляются у индивидуумов с известным наследственным заболеванием) могут быть признаны патогенными. В случаях, когда обнаруживается новая мутация, возникает необходимость молекулярно-генетических исследований близких родственников пациента, чтобы определить является ли она причиной заболевания.

Хромосомные мутации (аномалии) связаны либо с различными структурными перестройками хромосом, либо с изменением их числа (n). Численные изменения в наборе хромосом (кариотипе ) могут быть двух типов: полиплоидии - умножение полного хромосомного набора (3n, 4n и т.д.), или генома, кратное гаплоидному числу хромосом (в литературе иногда обозначающиеся, как геномные мутации ); анеуплоидии - увеличение или уменьшение числа хромосом в наборе, некратное гаплоидному. Эти количественные изменения кариотипа обусловлены, как правило, нарушениями мейоза или митоза. Численные хромосомные аномалии в виде анеуплоидии делятся на моносомию (потерю хромосомы или её части - частичная моносомия) и трисомию или полисомию (приобретение одной/нескольких хромосом или её части - частичная трисомия). Данные изменения кариотипа связаны с комплексом врожденных пороков развития и, как правило, с заболеваниями, сопровождающимися умственной отсталостью, или тяжелыми психическими расстройствами. В настоящее время описаны случаи изменений хромосомного набора с участием половых хромосом и некоторых аутосом при шизофрении и аутизме. Например, до 5-15% детей с аутистическими расстройствами имеют хромосомные аномалии. Это позволяет рассматривать хромосомный дисбаланс в организме в качестве одной из возможных причин некоторых случаев психических болезней.

Структурные изменения могут затрагивать всю хромосому, а также сопровождаться изменением количества генетического материала в ядре или его перемещением. Сбалансированные хромосомные аномалии представляют собой перестройки, за счет которых возникают кариотипы с неизмененным набором генов, однако расположение их в пределах хромосом или между хромосомами отличается от нормального. В большинстве случаев носители сбалансированных хромосомных аномалий фенотипически нормальны, но для их потомства возникает большой риск иметь несбалансированный кариотип, но в отдельных случаях носители сбалансированного кариотипа могут иметь различные врожденные пороки и/или микроаномалии, а также нарушения нервно-психического развития. Если при структурных хромосомных мутациях наблюдается потеря или приобретение генетического материала, то они являются несбалансированными хромосомными аномалиями .

Цитогенетически структурные перестройки классифицируют по принципу линейной последовательности расположения генов: делеции (потеря хромосомных участков), дупликации (удвоение хромосомных участков), инверсии (перевертывание на 180° относительно нормальной последовательности хромосомных участков), инсерции (вставки хромосомных участков) и транслокации (изменение расположения хромосомных участков) хромосом.

Большое значение имеет изучение хромосомных мутаций, под действием факторов внешней среды. Показано, что хромосомы человека отличаются высокой чувствительностью к действию радиации и химических веществ, которые принято называть мутагенными факторами (мутагенами ). При анализе воздействия этих факторов следует различать нарушения в соматических и половых клетках. Первые затрагивают непосредственно жизнедеятельность исследуемого организма, тогда как вторые проявляются в последующих поколениях. Мутации хромосом в зародышевых клетках ведут к образованию аберрантных гамет, в результате которых возможны гибель зигот, эмбрионов на ранних стадиях внутриутробного развития, рождение детей со специфическими или неспецифическими хромосомными аномалиями, которые проявляются в виде определенной клинической картины или определенного фенотипа. Мутации хромосом в соматических клетках ведут к образованию неспецифичных хромосомных аномалий в виде хромосомных или хроматидных пробелов, разрывов, обменов в кариотипе, не ведущих к определенному фенотипу, характерному для определенного заболевания. Подобные мутации не наследуются. Следует отметить, что при изучении такого рода воздействия мутагенных факторов представляется возможным оценить качественно и количественно действие ионизирующей радиации, химических веществ, вирусов, но полученные данные не могут быть перенесены на половые клетки, результатом действия на которые являются хромосомные болезни у детей.

Хромосомные аномалии могут проявляться в так называемых мозаичных формах, к которым приводит неправильное деление клеток на различных стадиях эмбрионального и постнатального развития. Это позволяет разделить хромосомные аномалии на мозаичные и регулярные (аномальный кариотип наблюдается во всех клетках организма). Хромосомный мозаицизм представляет собой наличие нескольких популяций клеток с различным друг от друга хромосомным наборам. Как правило, при мозаичных формах хромосомных аномалий наблюдают отсутствие отдельных клинических признаков определенного хромосомного синдрома и более легкое течение заболевания, но некоторые симптомы практически всегда присутствуют. Мозаичные структурные хромосомные аномалии наблюдаются достаточно редко, поэтому, когда речь идет о мозаичных хромосомных аномалиях, имеются в виду, в основном, численные аномалии, мозаичные формы которых имеют достаточно высокую популяционную частоту. Следует также отметить феномен тканеспецифического хромосомного мозаицизма - клетки с аномальным хромосомным набором присутствуют только в определенной ткани организма.

Наследственная информация передается от одного поколения микроорганизмов к другому большим числом генов, содержащихся в нуклеотиде каждой клетки. Информация, заключенная в гене, считывается и используется для синтеза специфического ферментного белка. Наличие этого ферментного белка создает химическую основу для проявления определенного признака у микроорганизма. В итоге все наследственные признаки микроорганизмов являются конечными продуктами биохимических процессов, что в равной мере применимо и к физиологическим особенностям, и к морфологическим признакам.

Один ген может контролировать наследование одного признака или определять несколько или многие признаки, затрагивающие различные части клетки микроорганизма. В других случаях несколько генов могут совместно контролировать проявление какого-либо одного признака. В бактериальной хромосоме все гены расположены в линейной последовательности. Гены определенных признаков лежат в соответствующих местах хромосомы, называемых локусами. Бактерии обычно гаплоидны: у них имеется только один набор генов.

Полный набор генов, которым обладает клетка микроорганизма, представляет собой генотип данного микроорганизма. Проявление наследуемых морфологических признаков и физиологических процессов у индивидуумов называется фенотипом (от греч. фаино -- проявлять, показывать). Сходные по генотипу микроорганизмы могут существенно различаться по фенотипу, то есть по способу проявления наследственных признаков. Фенотипические различия между микроорганизмами, одинаковыми по генотипу, называются модификациями (фенотипическими адаптация ми). Таким образом, взаимодействие генетических задатков с внешней средой может быть причиной возникновения различных фенотипов, даже если генотипы идентичны. Однако потенциальный размах таких фенотииических различий контролируется генотипом.

Модификации, как правило, существуют до тех пор, пока действует вызвавший их специфический фактор внешней среды,-- они не передаются потомкам и не наследуются ими. Так, обработка фенолом бактерий со жгутиками препятствует развитию жгутиков у этих организмов. Однако у потомства обработанных фенолом безжгутиковых бактерий, выращенного на среде без фенола, образуются нормальные жгутики.

Установлено, что практически все морфологические и физиологические признаки микроорганизмов прямо или косвенно контролируются генетической информацией, заключенной в ДНК.

Информация, которую несет ДНК не является чем-то абсолютно стабильным и неизменным. Если бы информация, передаваемая от одного поколения к другому, не была способна к изменению, то диапазон реакций близкородственных организмов на факторы внешней среды был бы также постоянным и любое внезапное их изменение, оказавшееся вредным для микроорганизмов с застывшим генотипом, могло бы привести к исчезновению вида. Следовательно, информация, передающаяся от поколения к поколению, не является абсолютно стабильной, что оказывается полезным для выживания вида.

Изменения генотипа, называемые мутациями (от лат. mutare -- изменять), происходят спонтанно, то есть случайно. Такие мутации вызывают резкие изменения единичных генов, ответственных за содержащуюся в клетке информацию. Как правило, редкие ошибки репликации ДНК не сопровождаются массированными изменениями информации, вовлекающими большое число разнообразных признаков. Однако у организмов развились другие механизмы, способствующие возникновению в потомстве резко измененной наследственности. Эти механизмы заключаются в объединении и обычно в немедленной перетасовке (рекомбинации) генов, принадлежащих близкородственным, но генотипически различным организмам. При генетической рекомбинации в хромосому одной микробной клетки, служащей реципиентом, встраиваются фрагменты хромосомы микроорганизма, являющегося донором.

У микроорганизмов способность к рекомбинации генов может быть представлена в виде схемы.

В настоящее время у микроорганизмов известны три типа передачи признаков от донора к реципиенту: трансформация, конъюгация и трансдукция. микроорганизм аэробный железо соль

Мутация (mutation): аллель, встречающийся в популяции с частотой, равной или меньше 1%. Причиной изменчивости организмов является не только комбинационная изменчивость, но и мутации. Это такие изменения генома, которые состоят либо в появлении новых аллелей (их называют генными мутациями), либо в перестройке хромосом, например, в переносе кусочка одной хромосомы на другую (тогда их называют хромосомными мутациями), либо в изменениях генома (геномные мутации). Пример геномной мутации - изменение числа хромосом в клетке. Отдельные мутации возникают редко. Например, генные мутации возникают примерно в одном гене из сотен тысяч или даже миллиона. Однако поскольку генов может быть достаточно много, мутации вносят заметный вклад в изменчивость. О мутациях рассказывалось выше и в связи с ДНК, и в связи с работами Моргана. У Моргана признаком мутации являлось какое-то морфологическое отличие дрозофилы, которое наследуется. Оно показывало, что в генетическом материале мутанта есть отличие от генома мух дикого типа. Откуда оно берется, вопрос сначала не ставился. Мутации - это случайно возникшие стойкие изменения генотипа, затрагивающие целые хромосомы, их части или отдельные гены. Мутации могут быть крупными, хорошо заметными, например отсутствие пигмента (альбинизм), отсутствие оперения у кур (рис. 11), коротконогость и др. Однако чаще всего мутационные изменения - это мелкие, едва заметные уклонения от нормы. Термин "мутация" был введен в генетику одним из ученых, переоткрывших законы Менделя, - Г.де Фризом в 1901 г. (от лат. мутатио - изменение, перемена). Этот термин означал вновь возникшие, без участия скрещиваний, наследственные изменения. Как уже говорилось, мутации делят на генные мутации, хромосомные мутации и геномные мутации (рис. 118). Надо заметить, что при хромосомных и геномных мутациях в геноме не возникает новых генов; фактически, это некоторая перетасовка старых генов. На первый взгляд, было бы логичнее отнести такую изменчивость к комбинационной изменчивости. Однако, при определении пола, появление в геноме лишней Х-хромосомы может вызвать радикальные изменения фенотипа. Поэтому исторически сложилась традиция относить такие изменения генома к мутациям. Кроме классификации мутаций по способу возникновения, их классифицируют и по другим признакам. 1). Прямые мутации - это мутации, вызывающие отклонение от дикого типа. Обратные мутации - это возвращение к дикому типу. 2). Если мутации возникают в половых клетках, их называют генеративными мутациями (от лат. генератио - рождение), а если в других клетках организма - соматическими мутациями (от греч. сома - тело). Соматические мутации могут передаваться потомству при вегетативном размножении. 3). По результатам мутации делят на полезные, нейтральные и вредные, (в том числе стерильные, полулетальные и летальные). Полулетальные мутации - это вредные мутации, сильно снижающие жизнеспособность, но не гибельные, а летальные - приводящие к гибели организма на той или иной стадии развития. Стерильные мутации - это те, которые не влияют на жизнеспособность организма, но резко (часто до нуля) снижают его плодовитость. Нейтральные мутации - это мутации, которые не меняют жизнеспособность организма. Обычно ДНК точно копируется при процессе репликации и сохраняется неизменной между двумя последовательными репликациями. Но изредка происходят ошибки и последовательность ДНК меняется - эти ошибки называются мутациями. Мутация- это устойчивое наследуемое изменение ДНК, независимо от его функциональной значимости. Это определение подразумевает изменение в первичной нуклеотидной последовательности, а изменения иного рода, например метилирование, обычно относят к эпигенетическим событиям. Мутации в соматических клетках, возможно, вызывают процессы старения, рак и другие, менее существенные изменения в организме. Мутации в половых клетках родителей наследуются детьми. Представление об устойчивости мутаций в целом остается верным, но открытие динамических мутаций, обусловленных увеличением числа тринуклеотидных повторов, показывает, что некоторые мутации изменяются при делении соматических или зародышевых клеток. Одни мутации летальны, и они не могут передаваться следующему поколению, а другие не столь опасны и сохраняются в потомстве. С точки зрения эволюции мутации обеспечивают достаточное генетическое многообразие, чтобы позволить видам приспособиться к условиям окружающей среды путем естественного отбора. Каждый генетический локус характеризуется определенным уровнем изменчивости, т. е. присутствием различных аллелей, или вариантов последовательностей ДНК, у разных индивидуумов. Применительно к гену, аллели разделяются на две группы - нормальные, или аллели дикого типа, при которых функция гена не нарушена, и мутантные, приводящие к нарушению работы гена. В любых популяциях и для любых генов аллели дикого типа являются преобладающими. Под мутацией понимают все изменения в последовательности ДНК, независимо от их локализации и влияния на жизнеспособность особи. Таким образом, понятие мутации является более широким по сравнению с понятием мутантного аллеля. В научной литературе часто встречающиеся в популяциях варианты последовательностей генов, не приводящие к заметным нарушениям функций, обычно рассматриваются как нейтральные мутации или полиморфизмы, тогда как понятия "мутация" и "мутантный аллель" зачастую употребляются как синонимы. Мутации могут захватывать участки ДНК разной длинны. Это может быть единственный нуклеотид, тогда мы будем говорить о точковой мутации, или же протяженный участок молекулы. Кроме того, учитывая характер изменений, мы можем говорить о заменах нуклеотидов, делециях и вставках (инсерциях) и о инверсиях. Процесс возникновения мутаций называют мутагенезом. В зависимости от факторов, вызывающих мутации, их разделяют на спонтанные и индуцированные. Спонтанные мутации возникают самопроизвольно на протяжении всей жизни организма в нормальных для него условиях окружающей среды. Спонтанные мутации в эукариотических клетках возникают с частотой 10-9-10-12 на нуклеотид за клеточную генерацию. Индуцированными называют мутации, возникающие в результате мутагенных воздействий в экспериментальных условиях или при неблагоприятных воздействиях окружающей среды. Среди важнейших мутагенных факторов, прежде всего, необходимо отметить химические мутагены - органические и неорганические вещества, вызывающие мутации, а также ионизирующее излучение. Между спонтанными и индуцированными мутациями нет существенных различий, Большинство спонтанных мутаций возникает в результате мутагенного воздействия, которое не регистрируется экспериментатором. Необходимо подчеркнуть, что полезность или вредность мутаций зависит от условий обитания: в одних условиях среды данная мутация вредна, в других - полезна. Например, мутация, вызывающая альбинизм, будет полезной для обитателей Арктики, обеспечивая белую защитную окраску, но вредной, демаскирующей для животных, обитающих в других условиях. Изменчивость дает материал для действия естественного отбора и лежит в основе эволюционного процесса. Мутации поставляют материал для работы селекционеров. Получение и отбор полезных (для человека) мутаций лежат в основе создания новых сортов растений, животных и микроорганизмов. Классификация мутаций основана на молекулярных процессах их возникновения.

История формирования микробиологии как науки

Микробиология (от греч. micros. малый, bios. жизнь, logos. учение) -.наука, изучающая строение, жизнедеятельность и экологию микроорганизмов мельчайших форм жизни растительного или животного происхождения, не видимых невооруженным глазом.

Микробиология изучает всех представителей микромира (бактерии, грибы, простейшие, вирусы). По своей сути микробиология является биологической фундаментальной наукой. Для изучения микроорганизмов она использует методы других наук, прежде всего физики, биологии, биоорганической химии, молекулярной биологии, генетики, цитологии, иммунологии. Как и всякая наука, микробиология подразделяется на общую и частную. Общая микробиология изучает закономерности строения и жизнедеятельности микроорганизмов на всех уровнях. молекулярном, клеточном, популяционном; генетику и взаимоотношения их с окружающей средой. Предметом изучения частной микробиологии являются отдельные представители микромира в зависимости от проявления и влияния их на окружающую среду, живую природу, в том числе человека. К частным разделам микробиологии относятся: медицинская, ветеринарная, сельскохозяйственная, техническая (раздел биотехнологии), морская, космическая микробиология. Медицинская микробиология изучает патогенные для человека микроорганизмы: бактерии, вирусы, грибы, простейшие. В зависимости от природы изучаемых патогенных микроорганизмов медицинская микробиология делится на бактериологию, вирусологию, микологию, протозоологию. Каждая из этих дисциплин рассматривает следующие вопросы: - морфологию и физиологию, т.е. осуществляет микроскопические и другие виды исследований, изучает обмен веществ, питание, дыхание, условия роста и размножения, генетические особенности патогенных микроорганизмов; - роль микроорганизмов в этиологии и патогенезе инфекционных болезней; - основные клинические проявления и распространенность вызываемых заболеваний; - специфическую диагностику, профилактику и лечение инфекционных болезней; - экологию патогенных микроорганизмов. К медицинской микробиологии относят также санитарную, клиническую и фармацевтическую микробиологию. Санитарная микробиология изучает микрофлору окружающей среды, взаимоотношение микрофлоры с организмом, влияние микрофлоры и продуктов ее жизнедеятельности на состояние здоровья человека, разрабатывает мероприятия, предупреждающие неблагоприятное воздействие микроорганизмов на человека. В центре внимания клинической микробиологии. Роль условно-патогенных микроорганизмов в возникновении заболеваний человека, диагностика и профилактика этих болезней. Фармацевтическая микробиология исследует инфекционные болезни лекарственных растений, порчу лекарственных растений и сырья под действием микроорганизмов, обсемененность лекарственных средств в процессе приготовления, а также готовых лекарственных форм, методы асептики и антисептики, дезинфекции при производстве лекарственных препаратов, технологию получения микробиологических и иммунологических диагностических, профилактических и лечебных препаратов. Ветеринарная микробиология изучает те же вопросы, что и медицинская микробиология, но применительно к микроорганизмам, вызывающим болезни животных. Микрофлора почвы, растительного мира, влияние ее на плодородие, состав почвы, инфекционные заболевания растений и т.д. находятся в центре внимания сельскохозяйственной микробиологии. Морская и космическая микробиология изучает соответственно микрофлору морей и водоемов и космического пространства и других планет. Техническая микробиология, являющаяся частью биотехнологии, разрабатывает технологию получения из микроорганизмов разнообразных продуктов для народного хозяйства и медицины (антибиотики, вакцины, ферменты, белки, витамины). Основа современной биотехнологии - генетическая инженерия. Многочисленные открытия в области микробиологии, изучение взаимоотношений между макро- и микроорганизмами во второй половине XIX в. способствовали началу бурного развития иммунологии. Вначале иммунология рассматривалась как наука о невосприимчивости организма к инфекционным болезням. В настоящее время она стала общемедицинской и общебиологической наукой. Доказано, что иммунная система служит для защиты организма не только от микробных агентов, но и от любых генетически чужеродных организму веществ с целью сохранения постоянства внутренней среды организма, т.е. гомеостаза. Иммунология является основой для разработки лабораторных методов диагностики, профилактики и лечения инфекционных и многих неинфекционных болезней, а также разработки иммунобиологических препаратов (вакцин, иммуноглобулинов, иммуномодуляторов, аллергенов, диагностических препаратов). Разработкой и производством иммунобиологических препаратов занимается иммунобиотехнология. самостоятельный раздел иммунологии. Современная медицинская микробиология и иммунология достигли больших успехов и играют огромную роль в диагностике, профилактике и лечении инфекционных и многих неинфекционных болезней, связанных с нарушением иммунной системы (онкологические, аутоиммунные болезни, трансплантация органов и тканей и др.).

Превращения железа

В условиях обычного умеренного климата здоровому человеку требуется в продуктах питания 10--15 мг железа в день. Этого количества вполне достаточно, чтобы покрыть его потери из организма. В нашем теле содержится от 2 до 5 г железа, в зависимости от уровня гемоглобина, веса, пола и возраста. Особенно много его в гемоглобине крови -- две трети всего количества, содержащегося в организме; остальное запасено во внутренних органах, главным образом в печени.

Железо, поступающее с пищей, усваивается в кишечнике и переносится в кровеносные сосуды, где захватывается особым транспортным белком. Этот белок впервые был обнаружен еще в 1920 году в сыворотке крови. Но существовавшие в то время методы анализа не позволили точно определить его строение. Лишь в 1945 году шведские ученые К- Холмберг и К.-Б. Лаурелл детально исследовали этот железосодержащий белок, установили его природу и дали ему название «трансферрин».

Интересно, что сходный белок был выделен также в 1939 году из молока и получил название «лактоферрин». Молекулярные массы этих белков примерно одинаковы и составляют около 80 тыс. Они способны связывать 2 атома железа, придающих им характерную красноватую окраску. Лактоферрин затем был обнаружен в слезах, желчи и других жидкостях организма. Собственно говоря, транспортные белки выполняют сходную функцию с гемоглобином, только они переносят не кислород, а железо, причем трехвалентное. Оно транспортируется главным образом в костный мозг, небольшая часть поступает в печень и селезенку, где хранится как запасной фонд; незначительное количество идет на образования миоглобина и некоторых ферментов тканевого дыхания. Основные органы, в которых происходит обмен железа, это костный мозг, печень и тонкий кишечник, где имеются специальные рецепторы, служащие для приема трансферрина.

В костном мозге происходит образование гемоглобина и эритроцитов, продолжительность существования которых составляет около 4 месяцев. По прошествии этого времени гемоглобин разрушается, распадаясь на гем и глобин. Дальше превращения этих веществ идут различными путями. Глобин гидролизуется до аминокислот, а гем в печени превращается в желчные пигменты -- в зеленый биливердин, который восстанавливается до билирубина, имеющего желто-оранжевый или коричневый цвет. Лишь незначительная часть этих пигментов попадает снова в кровь, в основном же они выводятся из организма. При заболеваниях печени, таких, как желтуха, в кровь попадает избыточное количество билирубина, который и придает характерную желтую окраску коже и белкам глаз.

Мы говорили выше о том, что некоторая часть железа в организме хранится про запас. В нормальных условиях такое запасное железо входит в состав красно-коричневого водорастворимого белка ферритина, который широко распространен в растительном и животном мире. Он обнаружен у позвоночных, беспозвоночных, в цветах и даже в грибах. Это говорит о его универсальной роли и о древнем эволюционном происхождении. Впервые ферритин был выделен Ф. Лауфбергером в 1937 году из селезенки лошади. Несколько позднее была установлена его роль как соединения, накапливающего железо в организме. Молекулы ферритина представляют собой агрегаты железа в виде комплексных соединений, окруженных белком апоферритнном с молекулярной массой 480 тыс. Такой комплекс может содержать до 4,5 тыс. атомов железа. Если трансферрин сходен по своему значению с гемоглобином, то ферритин в этом отношении похож на миоглобин.

Итак, основное количество железа циркулирует в нашем организме, часть накапливается в ферритине, а совсем уж незначительное количество оседает в виде нерастворимых гранул белка гемосидерина. В ферритине и гемосидерине железо может храниться долго -- до тех пор, пока оно срочно не потребуется организму, например при потере крови. Тогда запасное железо используется для синтеза гемоглобина. Каким образом оно извлекается из запасных белков, пока точно не установлено. Как не установлен, по всей вероятности, еще целый ряд веществ, так или иначе связанных с железом нашего организма.

Микроорганизмы и окружающая среда. Физические факторы (концентрация солей)

В предыдущих главах были описаны различные микроорганизмы, сгруппированные по их физиологическим и биохимическим свойствам. Упоминалось и о местах обитания. Полученные сведения позволяют теперь рассмотреть отношения микроорганизмов с окружающей их средой. Мы остановимся сначала на основных понятиях и представлениях экологии. Эта наука изучает поведение организмов в их естественных местообитаниях, взаимоотношения их между собой и с окружающей средой. Первые следы жизни относятся к периоду более 3 млрд. лет назад; это были микроорганизмы, которые преобладали в биосфере Земли до периода около 0,5 млрд. лет назад. Таким образом, прокариоты не только стоят у истоков земной жизни, из них не только развилось все многообразие эукариотических форм, но они и после этого существовали всегда. Высшие формы жизни на протяжении своей эволюции никогда не были одиноки; их постоянно либо теснили, либо поддерживали вездесущие одноклеточные организмы. Среди современных высших форм жизни есть и такие, которые утвердились не только в борьбе с себе подобными, но и во взаимоотношениях с микроорганизмами. У многих организмов в процессе эволюции выработались терпимые, партнерские отношения - мутуалистический симбиоз. Микроорганизмы уже существовали, когда поверхность нашей планеты принимала свой нынешний вид; они уже присутствовали в то время, когда сдвигались континенты, создавались отложения толщиной в несколько тысяч метров, земная кора много раз опускалась и сминалась в складки, возникали залежи руд, угля, месторождения нефти и природного газа. Во многих из этих процессов активно участвовали микроорганизмы. На протяжении не менее чем 80% всего периода органической эволюции Земля была населена исключительно микроорганизмами. Если ископаемые остатки микробов находят редко, то данные сравнительной физиологии и биохимии служат достаточной опорой для классификации прокариот по типу метаболизма. Однако при чтении раздела об эволюции организмов следует учитывать то, что в этой области еще много пробелов и домыслов. ФИЗИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ

Минеральная вода Мертвого моря обладает высокой теплопроводностью и теплоемкостью. Таким образом, первый фактор воздействия - температурный. Основным местом приложения является кожа. Раздражение нервных рецепторов кожи вызывает разлитое торможение в коре головного мозга, т.е. снятие перенапряжения в результате психологических нагрузок, стресса и т.п. При интенсивном воздействии тепла во время принятия ванны усиливается теплоотдача путем потоотделения, что способствует процессам детоксикации организма. Кроме того, тепловое воздействие на мышцы способствует их расслаблению. В ванне с солью Мертвого моря столб воды высотой в 40-50 см оказывает давление в 1/5 атмосферы, что стимулирует функцию дыхания и кровообращения. На изменение температуры кожных покровов реагируют сосуды брюшных органов: повышение наружной температуры, сопровождаемое расширением сосудов кожи, приводит к сужению сосудов органов брюшной полости и наоборот. Исключение составляют почки: расширение сосудов кожи приводит к расширению сосудов почек. Для получения адекватной сосудистой реакции перед принятием ванны температура всех частей тела должна быть выровнена. Например, холодные ноги должны быть согреты в тазу или под струей горячей воды. В этом случае сосудистая реакция будет идти в нужном направлении и эффект от ванны будет положительным. Исходя из вышеизложенного, рекомендуется прием ванн с солями Мертвого моря при температуре воды 37-39 градусов, продолжительностью от 10 до 15 минут.

Превращение фосфора

Круговорот фосфора значительно проще углеродного и азотного. В основном состоит он из минерализации органического фосфора и перевода фосфорнокислых солей из менее растворимых в более растворимые соли (мобилизация фосфора). В теле животных и растений фосфор входит в состав белковых веществ (нуклеопротеидов) и некоторых липоидов (лецитинов). Этот фосфор после отмирания животных и растений при разложении гнилостными и другими микробами минерализуется и переходит в фосфорную кислоту, которая быстро связывается основаниями и переходит в труднорастворимые соли кальция, магния, железа, непригодные для питания растений. Далее перевод этих труднорастворимых солей в растворимые происходит в результате биохимических процессов, сопровождающихся кислотообразованием. Эти процессы производят кислотообразующие бактерии, именно нитрифицирующие, серобактерии, тионовые, аммонифицирующие, образующие большие количества углекислоты, особенно Вас. mycoides.

Труднорастворимая трехкальциевая соль переводится в легкорастворимую двухкальциевую фосфорную соль:

Са3(РО4)2+2СО2+2Н2О=2СаНРО4+Са(НСО3)2

Са3(РО4)2+4HNO3=Са(Н2РО4)2+2Ca(NO3)2,

которая и усваивается растениями.

В анаэробных условиях почвенные бактерии могут восстанавливать фосфорнокислые соли вплоть до фосфористого водорода при наличии органического вещества. При этом происходит потеря ценных фосфорнокислых солей. Лучшее средство против этого вредного процесса - хорошая аэрация почвы.

Аэробное разложение целлюлозы

Разложение целлюлозы в аэробных условиях. В хорошо аэрируемых почвах целлюлозу разлагают и используют аэробные микроорганизмы (грибы, миксобактерии и другие эубактерии), а в анаэробных условиях-в основном клостридии. В аэробных условиях значительная роль в разложении целлюлозы принадлежит грибам. Они в этом отношении эффективнее бактерий, особенно в кислых почвах и при разложении целлюлозы, инкрустированной лигнином (древесины). Большую роль играют в этом процессе представители двух родов -Fusarium и Chaetomium. Целлюлозу расщепляют также Aspergillus fumigatus, A. nidulans, Botrytis cinerea, Rhizoctonia solani, Trichoderma viride, Chaetomium globosum и Myrothecium verrucaria. Три последних вида служат тест-организмами для выявления распада целлюлозы, а также при испытании средств, применяемых для пропитки различных материалов с целью предохранить их от действия микроорганизмов, разлагающих целлюлозу. Грибы образуют целлюлазы, которые можно выделить из мицелия и из питательной среды. Cytophaga и Sporocytophaga- аэробные бактерии, разлагающие целлюлозу. Их легче всего выделить обычным методом накопительной культуры в жидких средах. Эти два рода, близкие к миксобактериям, включают много видов. Об использовании целлюлозы миксобактериями и об их первичном воздействии на нее мало что известно. У них не удалось обнаружить ни внеклеточной целлюлазы, ни каких-либо продуктов расщепления целлюлозы. Клетки этих бактерий тесно прилегают к волокнам целлюлозы, располагаясь параллельно оси волокна. По-видимому, они гидролизуют целлюлозу лишь при тесном контакте с волокном, и продукты гидролиза тотчас же поглощаются. На агаре с целлюлозой колонии Cytophaga никогда не бывают окружены прозрачной зоной, в которой находились бы продукты ферментативного расщепления целлюлозы.Кроме видов Cytophaga на целлюлозе могут расти миксо бактерии родов Polyangium, Sporangium и Archangium, образующие плодовые тела. Использовать целлюлозу как субстрат для роста могут и многие из тех аэробных бактерий, которые можно было бы назвать «всеядными». Некоторые из них используют целлюлозу, видимо, только в тех случаях, когда нет других источников углерода; синтез и выделение целлю-лаз у таких бактерий регулируются по типу катаболитной репрессии. Некоторые формы, сходные с Pseudomonas, раньше объединяли в группу Cellvibrio. Сейчас их описывают как Pseudomonas fluorescens var. cellulosa. Из коринеформных бактерий следует упомянуть Cellulomonas; эту бактерию предполагали даже использовать для получения белка из целлюлозы. Среди актиномицетов описано лишь немного целлюлозоразлагаю-щих видов: Micromonospora chalcea, Streptomyces cellulosae, Strepto-sporangium. Разложение целлюлозы в анаэробных условиях. В анаэробных условиях целлюлозу расщепляют чаще всего мезофильные и термофильные клостридии. Термофильный вид Clostridium thermocellum растет на простых синтетических средах, используя в качестве субстрата целлюлозу или целлобиозу, а в качестве источника азота-соли аммония; глюкозу и многие другие сахара эта бактерия не утилизирует. Продуктами сбраживания целлюлозы являются этанол, уксусная, муравьиная и молочная кислоты, молекулярный водород и С02. Вне клеток целлюлоза расщепляется, вероятно, только до целлобиозы. К сходным продуктам приводит сбраживание целлюлозы мезофильным видом Clostridium cellobioparum. Длинная палочка Bacillus dissolvens ведет себя подобно упомянутым выше видам Cytophaga: клетки этой бактерии тесно прилегают к волокнам целлюлозы и не выделяют в среду целлюлазы.

Дыхание -- это процесс, обеспечивающий метаболизм живых организмов из окружающей среды кислородом (О2) и отводящий в окружающую среду в газообразном состоянии некоторую часть продуктов метаболизма организма (СО2, H2O и др). Дыхание -- основная форма диссимиляции у человека, животных, растений и многих микроорганизмов. При дыхании богатые химической энергией вещества, принадлежащие организму, окисляются до бедных энергией конечных продуктов (диоксида углерода и воды), используя для этого молекулярный кислород.

Термин «анаэробы» ввел Луи Пастер, открывший в 1861 году бактерии маслянокислого брожения. Анаэробное дыхание -- совокупность биохимических реакций, протекающих в клетках живых организмов при использовании в качестве конечного акцептора протонов не кислорода, а других веществ (например, нитратов) и относится к процессам энергетического обмена (катаболизм, диссимиляция), которые характеризуются окислением углеводов, липидов и аминокислот до низкомолекулярных соединений.

Молочнокислое брожение - это анаэробное превращение сахара молочнокислыми бактериями с образованием молочной кислоты.

Спиртовое брожение -- химическая реакция брожения, осуществляемая дрожжами, в результате которой одна молекула глюкозы преобразуется в 2 молекулы этанола и в 2 молекулы углекислого газа.

Маслянокислое брожение - это процесс превращения сахара маслянокислыми бактериями в анаэробных условиях с образованием масляной кислоты, углекислого газа и водорода.

Нитрификация -- микробиологический процесс окисления аммиака до азотистой кислоты или её самой далее до азотной кислоты, что связано либо с получением энергии (хемосинтез, автотрофная нитрификация), либо с защитой от активных форм кислорода, образующихся при разложении пероксида водорода (гетеротрофная нитрификация).

Денитрификация (диссимиляционная нитратредукция) -- сумма микробиологических процессов восстановления нитратов до нитритов и далее до газообразных оксидов и молекулярного азота. В результате их азот возвращается в атмосферу и становится недоступным большинству организмов. Осуществляется только прокариотами (причём как бактериям, так и археями) в анаэробных условиях и связана с получением ими энергии.

Азотфиксация -- фиксация молекулярного атмосферного азота, диазотрофия. Процесс восстановления молекулы азота и включения её в состав своей биомассы прокариотными микроорганизмами. Важнейший источник азота в биологическом круговороте. В наземных экосистемах азотфиксаторы локализуются в основном в почве.

Стрептококки. Стрептококки представляют собой круглые, мелкие, расположенные цепочками различной длины, кокки. Нередко цепочки эти состоят из парных кокков -- дипло-стрептококков. Стрептококки окрашиваются по Граму. В мокроте они бывают при бронхите, абсцессе, гангрене легких. Патогенными считаются стрептококки, находящиеся среди лейкоцитов и внутри них.

Стафилококки. Круглые кокки различной величины, расположенные группами, а также единичные окрашиваются обычными красками и по Граму. Стафилококки часто встречаются внутри лейкоцитов. В мокроте наблюдаются часто одновременно стрептококками.

Тетракокки (micrococcus tetragenus). Имеют вид овальных или круглых различной величины кокков, расположенных по четыре и окруженных общей капсулой. Окрашиваются по Граму. В мокроте они наблюдаются при абсцессе и гангрене легких, бронхитах, а также в виде вторичной инфекции при туберкулезе, чаще при наличии каверн.

САРЦИНЫ (от лат. sarcina - связка, узел), шаровидные бактерии (кокки), образующие кубические пакетообразные скопления. Неподвижны; не патогенны.

БАЦИЛЛЫ (от латинского bacillum - палочка), палочковидные бактерии. В узком смысле бациллы - палочковидные бактерии, образующие внутриклеточные споры (покоящиеся формы, устойчивые к высоким температурам, радиации и другим неблагоприятным воздействиям). Некоторые бациллы вызывают болезни животных и человека, например сибирскую язву, столбняк.

Клостридии (лат. Clostridium) -- род грамположительных, облигатно анаэробных бактерий, способных продуцировать эндоспоры. Отдельные клетки -- удлинённые палочки, название рода происходит от греческого клптфед (веретено). Многие виды, которые были отнесены к клостридиям по этому морфологическому признаку, позже были реклассифицированы. Эндоспоры могут располагаться центрально, эксцентрально и терминально. Диаметр эндоспор часто превышают диаметр клетки.

Спириллы (новолатинское spirilla, уменьшительное от лат. spira, греч. speira -- изгиб, извив, виток) бактерии, имеющие форму спирально извитых или дугообразно изогнутых палочек. Размеры С. варьируют у разных видов в широких пределах: ширина от 0,6--0,8 до 2--3 мкм, длина от 1--3,2 до 30--50 мкм. С. не образуют спор, грамположительны, подвижны благодаря пучку жгутиков, расположенных на конце клетки. Существуют виды С., плохо растущие на лабораторных питательных средах; отдельные виды вообще не были выделены в чистой культуре. С. -- сапрофиты; обитают в пресных и солёных водоёмах, встречаются также в загнивающей стоячей воде, навозной жиже и содержимом кишечника животных.

Спирохеты (лат. Spirochaetales) -- порядок бактерий с длинными (3--500 мкм) и тонкими (0,1--1,5 мкм) спирально (греч. урейсб «завиток») закрученными (один и более виток спирали) клетками.

Актиномицеты (устар. лучистые грибки) -- бактерии, имеющие способность к формированию на некоторых стадиях развития ветвящегося мицелия (некоторые исследователи, подчёркивая бактериальную природу актиномицетов, называют их аналог грибного мицелия тонкими нитями) диаметром 0,4--1,5 мкм, которая проявляется у них в оптимальных для существования условиях. Имеют грамположительный тип клеточной стенки и высокое (60--75 %) содержание ГЦ пар в ДНК.

Микобактемрии (Mycobacteriaceae) -- семейство актиномицетов. Единственный род -- Mycobacterium. Некоторые представители рода Mycobacterium (напр. M. tuberculosis, M. leprae) патогенны для млекопитающих (см. туберкулёз, микобактериоз, лепра).

Силосование -- один из способов консервирования и хранения сочных кормов. Доброкачественный силос имеет приятный ароматный запах квашеных овощей и фруктов, светло-зеленый, желтовато-зеленый и буровато-зеленый цвет с кислотностью в пределах 3,9-4,2. Он является прекрасным компонентом рационов в зимне-стойловый период, охотно поедается животными.

сенажирование - обезвоживание зеленых растений с целью создания водного дефицита, препятствующего развитию нежелательных бактерий при хранении массы без доступа воздуха. В отличие от силосования, процессы брожения при приготовлении сенажа проходят заторможено, так как травы провяливаются в поле до влажности 45-55 %, в результате чего достигается так называемая физиологическая сухость массы.

Грамотрицательные бактерии (обозначаются Грам (-)) -- бактерии, которые, в отличие от грамположительных бактерий, обесцвечиваются при промывке при использовании метода окраски микроорганизмов по Граму. После обесцвечивания они обычно окрашиваются дополнительным красителем (фуксином) в розовый цвет.

ТЕРМОГЕНЕЗ - это выработка организмом тепла для поддержания постоянной температуры тела и обеспечения работы всех его систем, начиная от функционирования внутриклеточных процессов, и вплоть до обеспечения кровообращения, переваривания пищи, возможности двигаться и т.д..

Пастеризация -- процесс одноразового нагревания чаще всего жидких продуктов или веществ до 60 °C в течение 60 минут или при температуре 70--80 °C в течение 30 мин. Технология была открыта в середине XIX века французским микробиологом Луи Пастером. Применяется для обеззараживания пищевых продуктов, а также для продления срока их хранения.

Стерилизация (от лат. sterilis -- бесплодный) -- полное освобождение различных веществ, предметов, пищевых продуктов от живых микроорганизмов.

Грамположительные бактерии (обозначаются Грам (+)) -- бактерии, которые, в отличие от грамотрицательных бактерий, сохраняют окраску, не обесцвечиваются, при промывке при использовании окраски микроорганизмов по методу Грама.

Адгезия (от лат. adhaesio -- прилипание) в физике -- сцепление поверхностей разнородных твёрдых и/или жидких тел. Адгезия обусловлена межмолекулярным взаимодействием (вандерваальсовым, полярным, иногда -- образованием химических связей или взаимной диффузией) в поверхностном слое и характеризуется удельной работой, необходимой для разделения поверхностей. В некоторых случаях адгезия может оказаться сильнее, чем когезия, т. е. сцепление внутри однородного материала, в таких случаях при приложении разрывающего усилия происходит когезионный разрыв, т. е. разрыв в объёме менее прочного из соприкасающихся материалов.

Комменсализм (лат. con mensa -- буквально «у стола», «за одним столом») -- способ совместного существования двух разных видов живых организмов, при которых одна популяция извлекает пользу от взаимоотношения, а другая не получает ни пользы ни вреда (например, чешуйница обыкновенная и человек).

ФАГИЯ (от греч. phagos -- пожиратель), составная часть сложных слов, соответствующая по Значению словам поедающий, поглощающий.

Сателлизм -- усиление роста одного вида микроорганизма под влиянием другого микроорганизма. При совместном росте нескольких видов микробов их физиологические функции могут активироваться, что приводит к более быстрому воздействию на субстрат. Например, колонии дрожжей или сарцин, выделяя в питательную среду метаболиты, стимулируют рост вокруг их колоний некоторых других микроорганизмов.

Фитогормоны -- низкомолекулярные органические вещества, вырабатываемые растениями и имеющие регуляторные функции. Действующими являются низкие концентрации фитогормонов (до 10?11 М), при этом фитогормоны вызывают различные физиологические и морфологические изменения в чувствительных к их действию частях растений.

1. Формы микроорганизмов

2. Строение бактериальной клетки

3. Органы передвижения бактерий

4. Устройство микроскопа

5. Формы колоний

6. Профили колоний.

7. Край колоний

8. Цикл превращения азота

9. Цикл превращения фосфора

10. Цикл превращения серы

Выпускник Чикагского университета доктор Джосайя Зайнер (Josiah Zayner) создал набор из инструментов и материалов, которые позволяют в домашних условиях редактировать геном с помощью методики CRISPR. По мнению ученого, недорогой набор показывает, что сегодня вмешательство в ДНК - это обычное ремесло, а не искусство с непредсказуемым результатом. Сам ученый охотно демонстрирует эту мысль: в его квартире множество чашек Петри с генно-модифицированными бактериями, созданными на кухне с помощью собственного набора.

Биолог Джосайя Зайнер предлагает новый подход к популяризации самой передовой части биологической науки

Инструмент CRISPR для редактирования генома был изобретен три года назад и является простым, быстрым и точным способом вмешательства в ДНК. Однако до сих пор CRISPR применяли лишь квалифицированные специалисты в специализированных лабораториях.

Методика CRISPR позволяет редактировать геном даже на кухне

Джосайя Зайнер первым решился выпустить на рынок упрощенный и доступный для непрофессионалов набор инструментов CRISPR для вмешательства в геном. Это провокационная инициатива, ведь сегодня образ жизни и мышления общества во многом формирует терроризм. В результате генные модификации бактерий в домашних условиях ассоциируются в большинстве случаев с разработкой смертельных штаммов для биотеррористов.

Также ученые опасаются, что непрофессионалы могут случайно создать суперштаммы микроорганизмов, устойчивые к антибиотикам. Даже если такие бактерии и грибки окажутся безопасными для человека, они могут вызвать непредсказуемые изменения в окружающей среде.

Генные модификации в наборе безопасны и позволяют лишь незначительно менять внешние параметры микроорганизмов, например их цвет

Однако, по словам Зайнера, в его наборе лишь безопасные бактерии и дрожжи, которые не могут выжить в суровой внешней среде и живут недолго. Генная модификация с помощью инструментов набора позволяет лишь незначительно менять их свойства, например цвет или запах.

Набор для домашних экспериментов в генной инженерии стоит $120

Джосайя Зайнер считает, что благодаря его набору множество талантливых любознательных людей могут оказать огромную помощь биологии. Интерес к генной инженерии имеет огромную ценность для науки, поэтому дешевый набор Зайнера может сыграть в истории биологии даже большую роль, чем несколько дорогостоящих суперсовременных лабораторий.

Надо отметить, что краудфандинг принес проекту Зайнера более $55 тыс. - на 333% больше, чем планировал разработчик набора для домашнего редактирования генов.