Změna sady genů. Chromozomální poruchy
Variabilita kombinací
Je dědičná a je způsobena rekombinací genů v genotypu. Nesouvisí to se změnou genů, ale s jejich kombinací! Kombinace genů přispívají ke zvýšenému přežití v měnících se podmínkách prostředí.
Náhodná kombinace gamet při oplození
Výměna segmentů homologních chromozomů při křížení v profázi meiózy 1
Nezávislá divergence různých párů chromozomů v anafázi meiózy 1, vedoucí k tvorbě geneticky odlišných gamet
Mutační variabilita
Mutace – dědí se náhlé, náhlé, trvalé změny genotypu, ke kterým dochází pod vlivem vnějších nebo vnitřních faktorů prostředí. Na molekulární úrovni se jedná o změnu DNA, která přetrvává během replikace NK. Mutageneze je proces tvorby mutace. Mutagenní faktory způsobují mutace, ze své podstaty mohou být
- fyzický mutageny: záření a, b, gama, UV, teplota, vlhkost,
- chemikálie mutageny: organické a anorganické, omamné látky, produkty průmyslového zpracování přírodních sloučenin (uhlí, ropa), syntetické látky, které se dříve v přírodě nevyskytovaly (pesticidy, insekticidy, herbicidy), konzervanty potravin, léčiva. Mají vysokou penetrační schopnost, způsobují genetické mutace a působí při replikaci DNA.
Klasifikace mutací podle podmínek výskytu
Spontánní nastávají bez zjevného důvodu nebo důvody nejsou známy.
Indukované vznikají v důsledku expozice.
Klasifikace mutací podle lokalizace v buňce
Nukleární - mutace v jádře buňky
Cytoplazmatické - mutace v mitochondriích a plastidech.
Klasifikace mutací podle možnosti dědičnosti
Generativní vznikají v zárodečných buňkách, dědí se při pohlavním rozmnožování
Somatické vznikají v somatických buňkách, dědí se během vegetativního rozmnožování
Klasifikace mutací podle míry ovlivnění životní schopnosti a plodnosti
Sterilní ovlivňují plodnost
Smrtelné vést k smrti
Pololetální snížení životaschopnosti
Neutrální neovlivňuje životaschopnost
Pozitivní zvýšení vitality
Klasifikace podle stupně poškození genetického materiálu:
Genetika – změna genu
Chromozomální - změna struktury chromozomu,
Genomický – změna genomu
Genové mutace
Pointa, vést ke změně nukleotidové struktury DNA v genu. Změny ve struktuře genů při výměně bází jsou 2 typů: missense mutace aminokyselin nesmysl s tvorbou terminálních kodonů UAA, UAG, UGA.
- posun čtecího rámce dochází v případě vložení nebo ztráty několika nukleotidů. V důsledku toho se mění rozdělení mRNA na kodony, což znamená, že se v molekule syntetizovaného proteinu změní sekvence aminokyselin nebo syntéza předčasně skončí.
- přechod - nahrazení purinové báze jinou purinovou bází a pyrimidinové báze jiným pyrimidinem: A<-->G a C<-->T.
- transverze - náhrada purinu za pyrimidin a naopak.
Chromozomální mutace
Abberace - změna struktury chromozomů v důsledku porušení jejich integrity: zlomy, které jsou doprovázeny přestavbami genů, vedou k intra/interchromozomálním mutacím.
- smazání - ztráta chromozomového segmentu: AEF. Delece krátkého raménka 5. chromozomu u člověka – syndrom kočičího pláče.
- duplikace - duplikace chromozomového segmentu: ABCDCD, s výskytem dalšího dědičného materiálu, identického s tím, co je již v genomu.
Delece a duplikace se vždy projevují fenotypově, protože se mění soubor genů a na části chromozomů je pozorována monosomie.
- inverze - otočení jednotlivých úseků chromozomu o 180 *. ABCDEF -----> AEDCBF
- přemístění - přenos samostatného úseku chromozomu na jiné místo na stejném nebo jiném chromozomu: ABCKLM. V čem počet genů se nemění !!! Přesun raménka 21. chromozomu na 13, 14, 15 vede k rozvoji Downova syndromu.
Inverze a translokace se nemusí fenotypově projevit, pokud nedojde ke změně genetického materiálu a je zachována celková rovnováha genů v genomu. Konjugace homologních chromozomů je však obtížná, což může způsobit narušení genetického materiálu mezi dceřinými buňkami
Genomické mutace
V souvislosti se změnou počtu chromozomů vede k přidání nebo ztrátě jednoho, několika nebo celé sady chromozomů.
Genom- soubor genů haploidního souboru chromozomů. Zpravidla se nachází v zárodečných buňkách.
- polyploidie - mnohočetné haploidní zvýšení počtu chromozomů v buňkách. Často se používá při šlechtění rostlin, obvykle vede k vyšším výnosům. Často se vyskytuje mezi krytosemennými rostlinami, méně často mezi nahosemennými. Mezi zvířaty je polyploidie známá u hermafroditů: červi, korýši, hmyz, ryby, mloci. Pro savce je polyploidie smrtelná.
- haploidie - mnohočetný haploidní pokles počtu chromozomů. Výsledkem je, že v buňce je jediná sada n chromozomů. Organismus s haploidní sadou nehomologních chromozomů v somatických buňkách je haploid. Přirozená haploidie se vyskytuje v životním cyklu sporotvorných hub, bakterií, jednobuněčných řas a u trubců. Životaschopnost haploidů je snížena, protože se projevují všechny recesivní geny obsažené v jednotném čísle. Pro savce je haploidie smrtelná.
- aneuploidie - opakovaná změna počtu chromozomů.
Trizomie je zvýšení karyotypu o jeden chromozom (2n + 1).
Polysomie je zvýšení karyotypu o více než jeden chromozom.
Monozomie - pokles karyotypu o jeden chromozom (2n-1).
Nulisomie – absence páru chromozomů, je smrtelná.
Lidská chromozomální onemocnění
Skupiny onemocnění spojené se změnami počtu chromozomů (genomové mutace) nebo jejich struktury (chromozomové aberace). Vznikají v důsledku porušení chromozomové sady v zygotě v důsledku nedisjunkce chromozomů při redukčním dělení a různých chromozomových aberací.
triploidie - porušení sady chromozomů 3n. Novorozené děti umírají v prvních hodinách nebo dnech po narození.
trizomie na X chromozomu - XXX. Fenotyp je normální ženský, charakterizovaný nedostatečným rozvojem gonád, mírným stupněm mentální retardace.
Klinefelterův syndrom - XXY, XXXY, XXXXY, HUU, HUUU, XXYU, XXHUU. Mužským fenotypem jsou nedostatečně vyvinutá varlata. Ve vzhledu jsou úzká ramena charakteristická pro ženy, široká pánev, gynekomastie, ukládání tuku podle zhentipu. Polysomie na chromozomu Y dává vysoký růst, antisociální chování.
Shereshevsky-Turnerův syndrom : porušení sady chromozomů X0, jediné životaschopné monozomie pro chromozom X u lidí. Fenotyp je ženský, stavba těla je nepřiměřená, kožní záhyby na krku, zpomalení růstu, nevyvinuté vnitřní pohlavní orgány, neplodnost, předčasné stárnutí.
Downův syndrom : trizomie na 21. chromozomu. Malý vzrůst, malá kulatá hlava, plochý týl, nízko nasazené uši, šikmé oči, krátký nos s plochým hřbetem, pootevřená ústa, tlustý jazyk, nízký svalový tonus, zkrácené prsty, křivé malíčky, letargičtí a nemotorní lidé. Těžká mentální retardace, špatně vyvinutá řeč, snížená imunita a délka života.
Patauův syndrom : trizomie na 13. chromozomu. Hlubokí idioti. Nedostatečně vyvinutý centrální nervový systém, střední mikrocefalie, zakalení rohovky, nízké čelo, propadlý nosní hřbet, úzké oční důlky, oboustranný rozštěp rtu a patra, anomálie ve vývoji ODS a vnitřních orgánů. Umírají ve věku do jednoho roku, jen málokdo se dožívá 3 let.
Edwardsův syndrom : trizomie na 18. chromozomu. Anomálie lebky a obličeje: úzké čelo se zatažením předních kostí ve fontanelu, široký vyčnívající týl, malá dolní čelist a ústní otvor, úzké a krátké palpebrální štěrbiny, nízké uši, krátká hrudní kost, široký hrudník, abnormální vývoj nohy , patologie struktury srdce a cév, trávicí soustava, mozeček. Většina umírá před dosažením jednoho roku.
Vyplňte přihlášku k přípravě na zkoušku z biologie nebo chemie
Krátká forma zpětné vazby
Čekání na narození dítěte je pro rodiče nejkrásnější, ale také nejděsivější období. Mnozí se obávají, že se miminko narodí s nějakým handicapem, tělesným či mentálním postižením.
Věda nestojí na místě, je možné zkontrolovat dítě na přítomnost vývojových abnormalit v raných fázích těhotenství. Téměř všechny tyto testy mohou ukázat, zda je s dítětem vše v pořádku.
Proč se stává, že se stejným rodičům mohou narodit úplně jiné děti – zdravé dítě a dítě s postižením? Je to dáno geny. Při narození nedostatečně vyvinutého miminka nebo dítěte s tělesným postižením ovlivňují genové mutace spojené se změnou struktury DNA. Promluvme si o tom podrobněji. Zvažte, jak se to děje, jaké jsou genové mutace a jejich příčiny.
Co jsou to mutace?
Mutace jsou fyziologické a biologické změny v buňkách ve struktuře DNA. Důvodem může být záření (v těhotenství by se nemělo pořizovat rentgenové záření, u poranění a zlomenin), ultrafialové paprsky (dlouhé vystavení slunci během těhotenství nebo pobyt v místnosti se zapnutými ultrafialovými lampami). Také takové mutace mohou být zděděny od předků. Všechny jsou rozděleny do typů.
Genové mutace se změnou struktury chromozomů nebo jejich počtu
Jde o mutace, při kterých dochází ke změně struktury a počtu chromozomů. Chromozomální oblasti mohou vypadnout nebo se zdvojnásobit, přesunout se do nehomologické zóny, otočit se o sto osmdesát stupňů od normy.
Důvodem vzniku takové mutace je porušení křížení.
Genové mutace jsou spojeny se změnou struktury chromozomů nebo jejich počtu, jsou příčinou závažných poruch a onemocnění miminka. Takové nemoci jsou nevyléčitelné.
Typy chromozomálních mutací
Celkem se rozlišují dva typy základních chromozomálních mutací: numerická a strukturální. Aneuploidie jsou typy podle počtu chromozomů, to znamená, kdy jsou genové mutace spojeny se změnou počtu chromozomů. Toto je vznik dalšího nebo několika z nich, ztráta kteréhokoli z nich.
Genové mutace jsou spojeny se změnou struktury v případě, kdy se chromozomy zlomí a poté se znovu spojí, čímž dojde k porušení normální konfigurace.
Typy numerických chromozomů
Podle počtu chromozomů se mutace dělí na aneuploidii, tedy druhy. Zvažte ty hlavní, zjistěte rozdíl.
- trisomie
Trizomie je výskyt dalšího chromozomu v karyotypu. Nejčastějším výskytem je výskyt dvacátého prvního chromozomu. Stává se příčinou Downova syndromu nebo, jak se toto onemocnění také nazývá, trizomie dvacátého prvního chromozomu.
Patauův syndrom je detekován na třináctém a na osmnáctém chromozomu jsou diagnostikovány.Všechny jsou autozomální trizomie. Jiné trizomie nejsou životaschopné, umírají v děloze a ztrácejí se při samovolných potratech. Ti jedinci, kteří mají další pohlavní chromozomy (X, Y), jsou životaschopní. Klinická manifestace takových mutací je velmi malá.
Genové mutace spojené se změnou počtu vznikají z určitých důvodů. K trizomii nejčastěji dochází při divergenci v anafázi (meióza 1). Výsledkem tohoto rozporu je, že oba chromozomy spadají pouze do jedné ze dvou dceřiných buněk, druhá zůstává prázdná.
Méně často se může objevit nondisjunkce chromozomů. Tento jev se nazývá porušení v divergenci sesterských chromatid. Vyskytuje se v meióze 2. To je přesně ten případ, kdy se dva zcela identické chromozomy usadí v jedné gametě, čímž vznikne trisomická zygota. Nondisjunkce nastává v raných fázích procesu štěpení vajíčka, které bylo oplodněno. Vzniká tak klon mutantních buněk, který může pokrýt větší či menší část tkání. Někdy se projevuje klinicky.
Mnozí si dvacátý první chromozom spojují s věkem těhotné ženy, ale tento faktor zatím nebyl jednoznačně potvrzen. Důvody, proč se chromozomy neoddělují, zůstávají neznámé.
- monosomie
Monozomie je nepřítomnost některého z autozomů. Pokud k tomu dojde, pak ve většině případů nelze plod nést, v raných fázích dochází k předčasnému porodu. Výjimkou je monosomie kvůli dvacátému prvnímu chromozomu. Důvodem vzniku monozomie může být jak nondisjunkce chromozomů, tak ztráta chromozomu během jeho cesty v anafázi do buňky.
U pohlavních chromozomů vede monozomie k vytvoření plodu s karyotypem XO. Klinickým projevem takového karyotypu je Turnerův syndrom. V osmdesáti procentech případů ze sta je výskyt monozomie na chromozomu X způsoben porušením meiózy otce dítěte. To je způsobeno nondisjunkcí chromozomů X a Y. V podstatě plod s karyotypem XO umírá v děloze.
Podle pohlavních chromozomů se trizomie dělí na tři typy: 47 XXY, 47 XXX, 47 XYY. je trisomie 47XXY. U takového karyotypu se šance na nošení dítěte dělí padesát na padesát. Příčinou tohoto syndromu může být nondisjunkce X chromozomů nebo nondisjunkce X a Y spermatogeneze. Druhý a třetí karyotyp se může vyskytnout pouze u jedné z tisíce těhotných žen, prakticky se neprojevují a ve většině případů jsou specialisty objeveny zcela náhodou.
- polyploidie
Jde o genové mutace spojené se změnou haploidní sady chromozomů. Tyto sady lze ztrojnásobit nebo zčtyřnásobit. Triploidie je nejčastěji diagnostikována až při spontánním potratu. Bylo několik případů, kdy se matce podařilo takové dítě porodit, ale všichni zemřeli ještě před dosažením jednoho měsíce věku. Mechanismy genových mutací v případě triplodie jsou určeny úplnou divergenci a nedivergenci všech sad chromozomů buď ženských nebo mužských zárodečných buněk. Také dvojité oplodnění jednoho vajíčka může sloužit jako mechanismus. V tomto případě placenta degeneruje. Takový přerod se nazývá cystický smyk. Takové změny zpravidla vedou k rozvoji duševních a fyziologických poruch u dítěte, ukončení těhotenství.
Jaké genové mutace jsou spojeny se změnou struktury chromozomů
Strukturální změny v chromozomech jsou důsledkem ruptury (destrukce) chromozomu. V důsledku toho jsou tyto chromozomy propojeny a narušují jejich dřívější vzhled. Tyto modifikace mohou být nevyvážené a vyvážené. Vyvážené nemají přebytek ani nedostatek materiálu, takže se neobjevují. Mohou se objevit pouze v případě, že v místě destrukce chromozomu byl gen, který je funkčně důležitý. Vyvážená sada může mít nevyvážené gamety. V důsledku toho může oplodnění vajíčka takovou gametou způsobit vzhled plodu s nevyváženou sadou chromozomů. S takovou sadou se u plodu vyvíjí řada malformací, objevují se závažné typy patologie.
Druhy stavebních úprav
Genové mutace se vyskytují na úrovni tvorby gamet. Tomuto procesu nelze zabránit, stejně jako nelze s jistotou vědět, zda k němu může dojít. Existuje několik typů konstrukčních úprav.
- výmazy
Tato změna je spojena se ztrátou části chromozomu. Po takovém zlomu se chromozom zkracuje a jeho odtržená část se ztrácí při dalším dělení buněk. Intersticiální delece jsou případ, kdy se jeden chromozom zlomí na několika místech najednou. Takové chromozomy obvykle vytvářejí neživotaschopný plod. Existují však také případy, kdy děti přežily, ale kvůli takové sadě chromozomů měly syndrom Wolf-Hirshhorn, „kočičí pláč“.
- duplikace
Tyto genové mutace se vyskytují na úrovni organizace zdvojených úseků DNA. V zásadě duplikace nemůže způsobit takové patologie, které způsobují delece.
- translokace
K translokaci dochází v důsledku přenosu genetického materiálu z jednoho chromozomu na druhý. Pokud dojde ke zlomu současně u několika chromozomů a ty si vymění segmenty, dojde k reciproční translokaci. Karyotyp takové translokace má pouze čtyřicet šest chromozomů. Samotná translokace je detekována pouze podrobnou analýzou a studiem chromozomu.
Změna nukleotidové sekvence
Genové mutace jsou spojeny se změnou sekvence nukleotidů, kdy dochází k jejich expresi v modifikaci struktur určitých úseků DNA. Podle důsledků se takovéto mutace dělí na dva typy – bez posunu rámce a s posunem. Chcete-li přesně znát příčiny změn v řezech DNA, musíte zvážit každý typ zvlášť.
Mutace bez frameshiftu
Tyto genové mutace jsou spojeny se změnou a nahrazením nukleotidových párů ve struktuře DNA. S takovými substitucemi se neztrácí délka DNA, ale mohou se ztratit a nahradit aminokyseliny. Existuje možnost, že struktura proteinu zůstane zachována, to poslouží.Podívejme se podrobně na obě varianty vývoje: s náhradou aminokyselin a bez ní.
Aminokyselinová substituční mutace
Změny v aminokyselinových zbytcích v polypeptidech se nazývají missense mutace. V molekule lidského hemoglobinu jsou čtyři řetězce – dva „a“ (nachází se na šestnáctém chromozomu) a dva „b“ (kódující na jedenáctém chromozomu). Pokud "b" - řetězec je normální a obsahuje sto čtyřicet šest aminokyselinových zbytků a šestý je glutamin, pak bude hemoglobin normální. V tomto případě musí být kyselina glutamová kódována tripletem GAA. Pokud je v důsledku mutace GAA nahrazena GTA, pak místo kyseliny glutamové vzniká v molekule hemoglobinu valin. Místo normálního hemoglobinu HbA se tedy objeví jiný hemoglobin HbS. Nahrazení jedné aminokyseliny a jednoho nukleotidu tedy způsobí vážné vážné onemocnění – srpkovitou anémii.
Toto onemocnění se projevuje tím, že červené krvinky mají srpovitý tvar. V této formě nejsou schopny normálně dodávat kyslík. Pokud mají homozygoti na buněčné úrovni vzorec HbS/HbS, vede to ke smrti dítěte v raném dětství. Pokud je vzorec HbA / HbS, pak mají erytrocyty slabou formu změny. Taková nepatrná změna má užitečnou vlastnost – odolnost těla vůči malárii. V zemích, kde je nebezpečí nákazy malárií stejně jako na Sibiři s nachlazením, má tato změna prospěšnou vlastnost.
Mutace bez substituce aminokyselin
Nukleotidové substituce bez výměny aminokyselin se nazývají Seimsense mutace. Pokud je GAA nahrazena GAG v oblasti DNA kódující řetězec „b“, pak vzhledem k tomu, že bude v nadbytku, nemůže dojít k nahrazení kyseliny glutamové. Struktura řetězce se nezmění, nedojde k žádným modifikacím v erytrocytech.
Frameshift mutace
Takové genové mutace jsou spojeny se změnou délky DNA. Délka se může zkrátit nebo prodloužit v závislosti na ztrátě nebo zisku nukleotidových párů. Tím se zcela změní celá struktura proteinu.
Může dojít k intragenní supresi. K tomuto jevu dochází, když je prostor pro dvě mutace, aby se navzájem zrušily. To je okamžik, kdy je přidán nukleotidový pár poté, co byl jeden ztracen, a naopak.
Nesmyslné mutace
Jedná se o speciální skupinu mutací. Vyskytuje se vzácně, v jejím případě výskyt stop kodonů. To se může stát jak při ztrátě nukleotidových párů, tak při jejich přidání. Když se objeví stop kodony, syntéza polypeptidu se úplně zastaví. To může vytvořit nulové alely. Tomu se žádný z proteinů nevyrovná.
Existuje něco jako intergenová suprese. Jde o takový jev, kdy mutace některých genů potlačí mutace jiných.
Jsou nějaké změny během těhotenství?
Genové mutace spojené se změnou počtu chromozomů lze ve většině případů identifikovat. Chcete-li zjistit, zda má plod malformace a patologie, je v prvních týdnech těhotenství (od deseti do třinácti týdnů) předepsán screening. Jedná se o sérii jednoduchých vyšetření: odběr krve z prstu a žíly, ultrazvuk. Na ultrazvuku je plod vyšetřen v souladu s parametry všech končetin, nosu a hlavy. Tyto parametry se silným nedodržením norem naznačují, že dítě má vývojové vady. Tato diagnóza je potvrzena nebo vyvrácena na základě výsledků krevního testu.
Pod přísným dohledem lékařů jsou také nastávající maminky, u jejichž miminka se mohou vyvinout mutace na genové úrovni, které jsou dědičné. To znamená, že se jedná o ženy, v jejichž příbuzných se vyskytly případy narození dítěte s mentálním nebo tělesným postižením, identifikovaným Downovým syndromem, Patau a dalšími genetickými chorobami.
Biohacker Joshua Zayner chce vytvořit svět, kde každý může a má právo experimentovat se svou DNA.
"Máme tady nějakou DNA a injekční stříkačku," říká Joshua Zayner v místnosti plné syntetických biologů a dalších výzkumníků. Naplní jehlu a vnoří ji do kůže. "Změní moje svalové geny a dá mi více svalové hmoty."
Zayner, biohacker, který experimentuje s biologií v DIY spíše než v konvenční laboratoři, vystoupil na konferenci SynBioBeta v San Franciscu na téma „Krok-za-krokem průvodce genetickou změnou sebe sama pomocí CRISPR“, kde další prezentace zahrnovali akademiky v kostýmy a mladí manažeři typických biotechnologických start-upů. Na rozdíl od ostatních začal svůj projev rozdáváním vzorků a brožur, které vysvětlovaly základy DIY genetického inženýrství.
Biohacker Zayner vystoupil na konferenci SynBioBeta se zprávou „Krok za krokem, jak se geneticky změnit pomocí CRISPR“
Pokud se chcete geneticky modifikovat, není to nutně obtížné. Když davu nabídl vzorky v malých sáčcích, Zayner vysvětlil, že mu trvalo asi pět minut, než vyrobil DNA, kterou přinesl na prezentaci. Zkumavka obsahovala Cas9, enzym, který štěpí DNA na specifickém místě, orientovaném podél vodící RNA, v systému pro úpravu genů známém jako CRISPR. V tomto příkladu byl navržen tak, aby vypnul myostatinový gen, který produkuje hormon, který omezuje růst svalů a snižuje svalovou hmotu. Ve studii v Číně měli genově upravení psi dvojnásobnou svalovou hmotu. Pokud by to někdo z publika chtěl zkusit, mohl si vzít lahvičku domů a aplikovat ji později. Zeiner řekl, že i nakapáním na kůži dosáhnete účinku, i když omezeného.
Zainer má doktorát z molekulární biologie a biofyziky a také pracoval jako výzkumný asistent NASA na úpravě organismů pro život na Marsu. Věří však, že syntetická biologie pro úpravy jiných organismů nebo sebe sama by se mohla stát stejně snadno použitelnou jako například CMS pro tvorbu webových stránek.
"Nepotřebujete vědět, který promotor použít, aby fungoval správný gen nebo kus DNA," říká a používá některé technické termíny z genetického inženýrství. "Nechcete vědět, který terminátor použít, nebo počátek replikace... DNA inženýr potřebuje vědět, jak to udělat." Ale jediné, co potřebuješ vědět, je, že chci, aby houba byla fialová. Nemělo by to být složitější. To vše je docela dobře možné – jde jen o vytvoření infrastruktury a platformy, aby to mohl dělat každý.
Obchod s aplikacemi pro genetické úpravy samozřejmě ještě nebyl vytvořen. Ale značná část biohackerů se naučila dost na to, aby – někdy bezohledně – experimentovali na sobě. Několik lidí, které Zayner zná, si například začalo píchat myostatin. "To se děje právě teď," říká. "Všechny tyto věci se začaly objevovat doslova v posledních několika týdnech." Je příliš brzy na to říci, zda se injekce experimentátorů zlepšily nebo způsobily problémy, ale někteří doufají, že v nadcházejících měsících uvidí výsledky.
Navzdory svému času na akademické půdě není Zayner zjevně typickým výzkumníkem a vyhýbá se myšlence, že by experimenty měly být omezeny na laboratoře. Když v NASA začal mluvit s jinými biohackery prostřednictvím mailing listu a dozvěděl se o problémech těch, kteří chtěli dělat kutilskou práci – bylo těžké najít dodavatele a ne vždy posílali správné objednávky těm, kteří neměli laboratoř – v roce 2013 založil firmu s názvem The ODIN (Open Discovery Institute a pocta severskému bohu), aby posílal sady a nástroje lidem, kteří chtěli pracovat ve své garáži nebo pokoji. V roce 2015, poté, co se rozhodl opustit NASA, protože se mu nelíbilo pracovat v jejich konzervativním prostředí, zahájil úspěšnou fundraisingovou kampaň na DIY CRISPR kit.
"Jediná věc, kterou potřebuješ vědět, je, no, chci, aby houba byla fialová." Nemělo by to být těžší."
V roce 2016 prodal produkty v hodnotě 200 000 dolarů, včetně kvasnicové soupravy, kterou lze použít k pohonu žhnoucího bioluminiscenčního piva, soupravy pro detekci antibiotik doma a kompletní domácí laboratoře za cenu MacBooku Pro. V roce 2017 očekává zdvojnásobení tržeb. Mnoho stavebnic je jednoduchých a většina kupujících je pravděpodobně nepoužívá k vlastní výměně (mnoho souprav jde do škol). Zayner ale také doufá, že jak se bude získávat více znalostí, lidé budou experimentovat ještě neobvyklejšími způsoby.
Zainer prodává kompletní domácí biohackovací laboratoř za cenu přibližně MacBooku Pro.
Pokud změníte svou DNA, můžete pak sekvenovat svůj genom a zjistit, zda ke změně došlo. Garážový experiment ale nemůže poskytnout tolik informací jako konvenční metody. "Můžete potvrdit, že jste změnili DNA, ale to neznamená, že je to bezpečné a účinné," říká George Church, profesor genetiky na Harvard Medical School (který také působí jako poradce Zaynerovy společnosti, uznávající hodnotu biologicky gramotná veřejnost v biologii století). „Jediné, co vám řekne, že jste udělali správnou práci, ale to může být nebezpečné, protože jste také změnili něco jiného. Nemusí to být účinné v tom smyslu, že nebylo vyměněno dostatek buněk, nebo může být příliš pozdě a škoda již byla způsobena.“ Pokud se dítě narodí například s mikrocefalií, změna genů v jeho těle s největší pravděpodobností nebude mít vliv na jeho mozek.
img
"Žijeme v neuvěřitelné době, kdy se díky CRISPR učíme tolik o biologii a genetice, ale stále toho moc nevíme o bezpečnosti úpravy lidských buněk pomocí CRISPR."
Každý, kdo si chce píchnout modifikovanou DNA, riskuje, že nebude mít dostatek dat, nebo možná žádná skutečná data o tom, co se může stát, aby mohl učinit informované rozhodnutí. Asi je samozřejmé: tohle doma nezkoušejte. „Žijeme v neuvěřitelné době, kdy se díky CRISPR učíme tolik o biologii a genetice, ale stále toho moc nevíme o bezpečnosti úpravy lidských buněk pomocí CRISPR,“ říká Alex Marson, výzkumník v mikrobiologii a imunologii. University of California v San Franciscu a odborníkem na CRISPR. "Je velmi důležité, aby to v každém případě prošlo přísnými a ověřenými bezpečnostními testy a bylo provedeno odpovědným způsobem."
V Německu je nyní biohacking nezákonný a osobě provádějící experimenty mimo licencovanou laboratoř může hrozit pokuta 50 000 EUR nebo tři roky vězení. Světová antidopingová agentura nyní zakazuje všechny formy úpravy genů u sportovců. Biohacking však zatím není v USA regulován. A Zainer si vůbec nemyslí, že by měl, srovnává obavy, které se lidé učili používat syntetickou biologii, se strachem z učení se zacházet s počítači na počátku 80. let. (Cituje rozhovor z roku 1981, ve kterém se Ted Koppel zeptal Steva Jobse, zda existuje nějaké nebezpečí, že by lidé byli řízeni počítači.) Zayner doufá, že bude i nadále pomáhat co největšímu počtu lidí, aby se stali „DNA gramotnějšími“.
„Chci žít ve světě, kde se lidé geneticky modifikují. Chci žít ve světě, kde všechny tyhle skvělé věci, které vidíme ve sci-fi televizních pořadech, jsou skutečné. Možná jsem blázen a hloupý... ale myslím, že je to asi opravdu možné.
Proto si píchl injekci před davem na konferenci. „Chci, aby se lidé přestali dohadovat o tom, zda můžete nebo nemůžete používat CRISPR, zda je v pořádku se geneticky modifikovat,“ říká. "Je příliš pozdě: rozhodl jsem se za tebe." Debata skončila. Pokračujme. Pomozme lidem pomocí genetického inženýrství. Nebo jim dejte fialovou kůži.“
Absolvent University of Chicago Dr. Josiah Zayner vytvořil sadu nástrojů a materiálů, které umožňují CRISPR upravovat genom doma. Nenákladný set podle vědce ukazuje, že dnes je zásah do DNA běžným řemeslem, a nikoli uměním s nepředvídatelným výsledkem. Sám vědec tuto myšlenku ochotně demonstruje: v jeho bytě je mnoho Petriho misek s geneticky modifikovanými bakteriemi vytvořenými v kuchyni pomocí jeho vlastní soupravy.
Biolog Josiah Zayner nabízí nový přístup k popularizaci nejpokročilejší části biologické vědy
Nástroj pro úpravu genomu CRISPR byl vynalezen před třemi lety a představuje jednoduchý, rychlý a přesný způsob manipulace s DNA. Dosud však CRISPR používali pouze kvalifikovaní specialisté ve specializovaných laboratořích.
Technika CRISPR umožňuje upravovat genom i v kuchyni
Josiah Zainer byl první, kdo uvedl na trh zjednodušenou a dostupnou sadu nástrojů CRISPR pro zásahy do genomu. Jde o provokativní iniciativu, protože dnešní způsob života a myšlení společnosti je do značné míry formován terorismem. V důsledku toho je genetická modifikace bakterií doma ve většině případů spojena s vývojem smrtelných kmenů pro bioteroristy.
Vědci se také obávají, že neprofesionálové mohou náhodně vytvořit super kmeny mikroorganismů, které jsou odolné vůči antibiotikům. I když se takové bakterie a plísně zdají být pro člověka neškodné, mohou způsobit nepředvídatelné změny v prostředí.
Genové modifikace v kitu jsou bezpečné a umožňují pouze drobné změny vnějších parametrů mikroorganismů, jako je jejich barva
Jeho souprava však podle Zainera obsahuje pouze neškodné bakterie a kvasinky, které v drsném prostředí nepřežijí a dlouho nežijí. Modifikace genů pomocí nástrojů sady umožňuje pouze drobné změny jejich vlastností, jako je barva nebo vůně.
Sada pro domácí experimenty v genetickém inženýrství stojí 120 dolarů
Josiah Zayner věří, že díky jeho náboru může biologii velmi pomoci mnoho talentovaných a zvědavých lidí. Zájem o genetické inženýrství má pro vědu velkou hodnotu, takže levná stavebnice Zayner může hrát v historii biologie ještě větší roli než pár drahých supermoderních laboratoří.
Nutno podotknout, že crowdfunding přinesl Zaynerovu projektu více než 55 000 – 333 % více, než plánoval vývojář sady pro domácí úpravu genů.
Genové mutace – změna struktury jednoho genu. Jedná se o změnu v sekvenci nukleotidů: vypadnutí, vložení, nahrazení atd. Například záměna a za m. Příčiny - porušení při zdvojování (replikaci) DNA
Genové mutace jsou molekulární změny ve struktuře DNA, které nejsou viditelné pod světelným mikroskopem. Genové mutace zahrnují jakékoli změny v molekulární struktuře DNA, bez ohledu na jejich umístění a dopad na životaschopnost. Některé mutace nemají žádný vliv na strukturu a funkci odpovídajícího proteinu. Další (většina) část genových mutací vede k syntéze defektního proteinu, který není schopen plnit svou správnou funkci. Právě genové mutace určují vývoj většiny dědičných forem patologie.
Nejčastější monogenní onemocnění u člověka jsou: cystická fibróza, hemochromatóza, adrenogenitální syndrom, fenylketonurie, neurofibromatóza, Duchenne-Beckerovy myopatie a řada dalších onemocnění. Klinicky se projevují známkami metabolických poruch (metabolismu) v organismu. Mutace může být:
1) při substituci báze v kodonu jde o tzv missense mutace(z angl. mis - nepravdivý, nesprávný + lat. sensus - význam) - nukleotidová substituce v kódující části genu, vedoucí k substituci aminokyseliny v polypeptidu;
2) při takové změně kodonů, která povede k zastavení čtení informace, se jedná o tzv. nesmyslná mutace(z latiny non - no + sensus - význam) - záměna nukleotidu v kódující části genu vede k vytvoření terminátorového kodonu (stop kodon) a ukončení translace;
3) narušení čtení informací, posun ve čtecím rámci, tzv frameshift(z anglického frame - frame + shift: - posun, pohyb), kdy molekulární změny v DNA vedou ke změně tripletů při translaci polypeptidového řetězce.
Jsou známy i jiné typy genových mutací. Podle typu molekulárních změn existují:
divize(z lat. deletio - destrukce), kdy dojde ke ztrátě segmentu DNA o velikosti od jednoho nukleotidu po gen;
duplikace(z lat. duplicatio - zdvojení), tzn. duplikace nebo opakovaná duplikace segmentu DNA z jednoho nukleotidu na celé geny;
inverze(z lat. inversio - převrácení), tzn. otočení segmentu DNA o 180° o velikosti od dvou nukleotidů po fragment, který zahrnuje několik genů;
vložení(z lat. insertio - příloha), tzn. vložení fragmentů DNA o velikosti od jednoho nukleotidu po celý gen.
Molekulární změny ovlivňující jeden až několik nukleotidů jsou považovány za bodové mutace.
Pro genovou mutaci je zásadní a charakteristické, že 1) vede ke změně genetické informace, 2) může být přenášena z generace na generaci.
Určitou část genových mutací lze klasifikovat jako neutrální mutace, protože nevedou k žádným změnám ve fenotypu. Například v důsledku degenerace genetického kódu může být stejná aminokyselina kódována dvěma triplety, které se liší pouze jednou bází. Na druhou stranu se stejný gen může změnit (mutovat) do několika různých stavů.
Například gen, který řídí krevní skupinu systému AB0. má tři alely: 0, A a B, jejichž kombinace určují 4 krevní skupiny. Krevní skupina AB0 je klasickým příkladem genetické variability normálních lidských vlastností.
Právě genové mutace určují vývoj většiny dědičných forem patologie. Nemoci způsobené takovými mutacemi se nazývají genové neboli monogenní nemoci, tedy nemoci, jejichž vývoj je dán mutací jednoho genu.
Genomové a chromozomální mutace
Genomické a chromozomální mutace jsou příčinou chromozomálních onemocnění. Genomické mutace zahrnují aneuploidii a změny v ploidii strukturálně nezměněných chromozomů. Detekováno cytogenetickými metodami.
Aneuploidie- změna (snížení - monozomie, zvýšení - trizomie) počtu chromozomů v diploidním souboru, nikoli násobek haploidního (2n + 1, 2n - 1 atd.).
polyploidie- zvýšení počtu sad chromozomů, násobek haploidního (3n, 4n, 5n atd.).
U lidí jsou polyploidie, stejně jako většina aneuploidií, smrtelné mutace.
Mezi nejčastější genomové mutace patří:
trisomie- přítomnost tří homologních chromozomů v karyotypu (například pro 21. pár s Downovým syndromem, pro 18. pár pro Edwardsův syndrom, pro 13. pár pro Patauův syndrom; pro pohlavní chromozomy: XXX, XXY, XYY);
monosomie- přítomnost pouze jednoho ze dvou homologních chromozomů. S monosomií pro kterýkoli z autozomů je normální vývoj embrya nemožný. Jediná monosomie u lidí, která je slučitelná se životem – monosomie na X chromozomu – vede (k Shereshevsky-Turner syndromu (45, X0).
Důvodem vedoucím k aneuploidii je nedisjunkce chromozomů při buněčném dělení při tvorbě zárodečných buněk nebo ztráta chromozomů v důsledku anafáze zaostávání, kdy jeden z homologních chromozomů může zaostávat za všemi ostatními nehomologními chromozomy v průběhu pohyb k tyči. Termín "nondisjunkce" znamená nepřítomnost separace chromozomů nebo chromatid v meióze nebo mitóze. Ztráta chromozomů může vést k mozaikovitosti, ve které je jeden e uploidní(normální) buněčná linie a další monosomický.
Chromozomální nondisjunkce je nejčastěji pozorována během meiózy. Chromozomy, které se normálně dělí během meiózy, zůstávají spojeny dohromady a v anafázi se pohybují k jednomu pólu buňky. Vznikají tak dvě gamety, z nichž jedna má chromozom navíc a druhá tento chromozom nemá. Při oplodnění gamety s normální sadou chromozomů gametou s chromozomem navíc dochází k trizomii (tedy v buňce jsou tři homologní chromozomy), při oplodnění gamety bez jednoho chromozomu vzniká zygota s monozomií. Pokud se na jakémkoli autozomálním (nepohlavním) chromozomu vytvoří monosomální zygota, pak se vývoj organismu zastaví v nejranějších fázích vývoje.
Chromozomální mutace- Jde o strukturální změny jednotlivých chromozomů, obvykle viditelné ve světelném mikroskopu. Velké množství (od desítek až po několik stovek) genů se účastní chromozomální mutace, která vede ke změně normální diploidní sady. Ačkoli chromozomální aberace obecně nemění sekvenci DNA ve specifických genech, změna počtu kopií genů v genomu vede ke genetické nerovnováze v důsledku nedostatku nebo přebytku genetického materiálu. Existují dvě velké skupiny chromozomálních mutací: intrachromozomální a interchromozomální.
Intrachromozomální mutace jsou aberace v rámci jednoho chromozomu. Tyto zahrnují:
—výmazy(z lat. deletio – destrukce) – ztráta jednoho z úseků chromozomu, vnitřního nebo terminálního. To může vést k narušení embryogeneze a vzniku mnohočetných vývojových anomálií (například dělení v oblasti krátkého raménka 5. chromozomu, označovaného jako 5p-, vede k nedostatečnému rozvoji hrtanu, srdečním vadám, mentální retardaci) . Tento komplex příznaků je znám jako syndrom „kočičího pláče“, protože u nemocných dětí pláč v důsledku anomálie hrtanu připomíná kočičí mňoukání;
—inverze(z lat. inversio - převrácení). V důsledku dvou bodů zlomu v chromozomu je výsledný fragment po otočení o 180° vložen na své původní místo. V důsledku toho je porušeno pouze pořadí genů;
— duplikace(z Lat duplicatio - zdvojení) - zdvojení (nebo zmnožení) jakékoli části chromozomu (například trizomie podél jednoho z krátkých ramen 9. chromozomu způsobuje mnohočetné defekty, včetně mikrocefalie, opožděný fyzický, duševní a intelektuální vývoj).
Schémata nejčastějších chromozomálních aberací:
Dělení: 1 - terminál; 2 - intersticiální. Inverze: 1 - pericentrické (se zachycením centromery); 2 - paracentrický (v rámci jednoho ramene chromozomu)
Interchromozomální mutace nebo mutace přeskupení- výměna fragmentů mezi nehomologickými chromozomy. Takové mutace se nazývají translokace (z latinského tgans - pro, přes + locus - místo). Tento:
Reciproční translokace, kdy si dva chromozomy vymění své fragmenty;
Nereciproká translokace, kdy je fragment jednoho chromozomu transportován do druhého;
- "centrická" fúze (Robertsonova translokace) - spojení dvou akrocentrických chromozomů v oblasti jejich centromer se ztrátou krátkých ramen.
S příčnou rupturou chromatid přes centromery se „sesterské“ chromatidy stávají „zrcadlovými“ rameny dvou různých chromozomů obsahujících stejné sady genů. Takové chromozomy se nazývají izochromozomy. Jak intrachromozomální (delece, inverze a duplikace), tak interchromozomální (translokace) aberace a izochromozomy jsou spojeny s fyzikálními změnami ve struktuře chromozomů, včetně mechanických zlomů.
Dědičná patologie jako výsledek dědičné variability
Přítomnost společných druhových charakteristik umožňuje sjednotit všechny lidi na Zemi do jediného druhu Homo sapiens. Přesto snadno jediným pohledem vyčleníme v davu neznámých lidí tvář člověka, kterého známe. Mimořádná rozmanitost lidí, jak v rámci skupiny (například rozmanitost v rámci etnické skupiny), tak i mezi skupinami, je dána jejich genetickou odlišností. Nyní se má za to, že veškerá vnitrodruhová variabilita je způsobena různými genotypy, které vznikají a jsou udržovány přirozeným výběrem.
Je známo, že lidský haploidní genom obsahuje 3,3x109 párů nukleotidových zbytků, což teoreticky umožňuje mít až 6-10 milionů genů. Údaje moderních studií přitom naznačují, že lidský genom obsahuje přibližně 30–40 tisíc genů. Asi třetina všech genů má více než jednu alelu, to znamená, že jsou polymorfní.
Koncept dědičného polymorfismu formuloval E. Ford v roce 1940, aby vysvětlil existenci dvou nebo více odlišných forem v populaci, když četnost nejvzácnější z nich nelze vysvětlit pouze mutačními událostmi. Protože genová mutace je vzácný jev (1x10 6), četnost mutované alely, která je více než 1 %, lze vysvětlit pouze její postupnou akumulací v populaci díky selektivním výhodám nositelů této mutace.
Mnohonásobnost štěpných lokusů, mnohočetnost alel v každém z nich spolu s fenoménem rekombinace vytváří nevyčerpatelnou genetickou rozmanitost člověka. Výpočty ukazují, že v celé historii lidstva nedošlo, není a v dohledné době nedojde na zeměkouli ke genetickému opakování, tzn. každý narozený člověk je jedinečný fenomén ve vesmíru. Jedinečnost genetické konstituce do značné míry určuje charakteristiky vývoje onemocnění u každého jednotlivého člověka.
Lidstvo se vyvinulo jako skupiny izolovaných populací žijících po dlouhou dobu ve stejných podmínkách prostředí, včetně klimatických a geografických charakteristik, stravy, patogenů, kulturních tradic atd. To vedlo k fixaci v populaci specifických kombinací normálních alel pro každou z nich, nejvíce adekvátních podmínkám prostředí. V souvislosti s postupným rozšiřováním biotopu, intenzivními migracemi, přesídlováním národů dochází k situacím, kdy kombinace specifických normálních genů, které jsou za určitých podmínek v jiných podmínkách užitečné, nezajistí optimální fungování některých tělesných systémů. To vede k tomu, že část dědičné variability se vlivem nepříznivé kombinace nepatologických lidských genů stává základem pro vznik tzv. onemocnění s dědičnou predispozicí.
Navíc u člověka jako společenské bytosti probíhal postupem času přirozený výběr ve stále specifičtějších formách, čímž se rozšiřovala i dědičná rozmanitost. Co se dalo ve zvířatech zamést, bylo zachováno, nebo naopak to, co zvířata zachránila, bylo ztraceno. Plné uspokojení potřeb vitaminu C tedy vedlo v procesu evoluce ke ztrátě genu L-gulonodaktonoxidázy, který katalyzuje syntézu kyseliny askorbové. V procesu evoluce lidstvo získalo i nežádoucí znaky, které přímo souvisejí s patologií. Například u lidí se v procesu evoluce objevily geny, které určují citlivost na difterický toxin nebo na virus obrny.
U člověka, stejně jako u žádného jiného biologického druhu, tedy neexistuje ostrá hranice mezi dědičnou variabilitou, vedoucí k normálním odchylkám ve znacích, a dědičnou variabilitou, která způsobuje výskyt dědičných chorob. Člověk, který se stal biologickým druhem Homo sapiens, jako by zaplatil za „rozumnost“ svého druhu hromaděním patologických mutací. Tento postoj je základem jednoho z hlavních konceptů lékařské genetiky o evoluční akumulaci patologických mutací v lidských populacích.
Dědičná variabilita lidských populací, udržovaná i redukovaná přirozeným výběrem, tvoří tzv. genetickou zátěž.
Některé patologické mutace mohou přetrvávat a šířit se v populacích po historicky dlouhou dobu a způsobovat tzv. segregační genetickou zátěž; další patologické mutace vznikají v každé generaci v důsledku nových změn v dědičné struktuře, vytvářející mutační zátěž.
Negativní vliv genetické zátěže se projevuje zvýšenou úmrtností (úhyn gamet, zygot, embryí a dětí), sníženou plodností (snížená reprodukce potomstva), zkrácením délky života, sociální disadaptací a invaliditou a také způsobuje zvýšenou potřebu lékařských péče.
Anglický genetik J. Hodden byl první, kdo upozornil výzkumníky na existenci genetické zátěže, ačkoli samotný termín navrhl G. Meller již koncem 40. let. Význam pojmu „genetická zátěž“ je spojen s vysokou mírou genetické variability nezbytnou pro biologický druh, aby se dokázal přizpůsobit měnícím se podmínkám prostředí.