Nadzieje i obawy z rozwojem inżynierii genetycznej.

1 Inżynieria genetyczna-technika dzięki której można trzymać genetyczne nowe organizmy. Jej prace polegają na wprowadzeniu do komórek nowego genu tak aby ten gen ulegał replikacji a w niektórych przypadkach ekspresji. *Replikacja genów jest to powielanie cennego genu – uzyskanie wielu kopii tego genu w celu wykorzystania go w pracach inżynierii genetycznej np. genu kodującego ludzką insulinę. *ekspresja wprowadzonego do genomu genu pozwala na uzyskania białek o znaczeniu pozytywnym w życiu człowieka.

Metody klonowania genów: a) in vivo- wprowadza się gen do komórek bakterii, które dzieląc się replikują materiał genetyczny a tym samym pożądany gen, który należy potem wyizolować.

b) in vitro – to metoda powielania genów w środowisku zewnętrznym. Wykorzystuje się technikę PCR to reakcja łańcuchowa polimerazy, która naśladuje replikację DNA. Etapy: - pod wpływem podwyższonej temperatury cząsteczka DNA się rozdziela na pojedyncze nici, - do każdej z nici enzym polimeraza DNA dobudowuje nić komplementarna z dostarczonych nukleotydów, - obniżenie temperatury pozwala wyizolować nowe cząsteczki DNA. Metoda polega na wielokrotnym podgrzewaniu i oziębianiu próbki. Metoda wykorzystywana w kryminalistyce w paleontologii.

Wykrywanie obecności określonych genów, polega na stosowaniu sond molekularnych- to fragmenty DNA wyznakowane radioaktywnie, które łączą się komplementarnie z wykrywanym odcinkiem DNA. Przyszłością diagnostyki medycznej będzie wykrywanie określonych genów np. wadliwych za pomocą chipów genowych lub mikromacierzy DNA ( zawieraona miliony róznych fragmentów jednoniciowego DNA o znanej sekwencji).

Można tworzyć biblioteki genów.

2 Wirusy i plazmidy jako wektory genów:- są wykorzystywane do przenoszenia genów. Cechy wektora: prosta budowa oraz zdolności do przemieszczania się z jednej komórki do drugiej. Takie cechy spełniają: wirusy i plazmidy ( malutkie koliste cząsteczki DNA, które przemieszczają się z jednej komórki bakterii do drugiej w procesie koniugacji.)

3 Rola enzymów restrykcyjnych tzw restryktaz w procesie włączania obcych genów do wektorów a następnie do komórki docelowej. Służą do wycinania genów. Odnajdują określone sekwencje nukleotydów które wykazuje szczególny rodzaj symetrii. (W stosunku do osi symetrii przeprowadzonej przez środek tej sekwencji, kolejność nukleotydów czytana od środka jest taka sama Np. KOBYŁA MA MAŁY BOK). Efektem działania restryktaz jest to że wszystkie końce powstałe po przecięciu cząsteczek DNA są to” lepkie końce”. Są to odcinki jednoniciowe o takiej samej sekwencji nukleotydów, są komplementarne w stosunku do siebie.

4 Ta sama grupa enzymów przecina DNA wektora a następnie DNA komórki gospodarza np. bakterii. Dlatego wszystkie powstałe końce są względem siebie „lepkie”. 2 różne cząsteczki DNA przecięte takim samym enzymem restrykcyjnym łączą się swoimi lepkimi końcami. Odnajdują się i łączą dzięki temu że są komplementarne. W łączeniu końców uczestniczy enzym ligaza (syntetaza).

5 Wprowadzenie wektora do komórki gospodarza wymaga odpowiedniego jej przygotowania. Wstawienie genu do genomu gospodarza (biorcy genów) musi nastąpić we właściwym miejscu w stosunku do promotora w taki sposób by mógł ulec ekspresji dając produkt białkowy bardzo ważny w życiu człowieka Biorcami genów są najczęściej proste jednokomórkowe organizmy głównie bakterie oraz jednokomórkowe grzyby –drożdże. Obecność ściany komórkowej w bakterii i grzybów wymaga przygotowania jej przed wprowadzeniem wektora np. dla komórek bakteryjnych jest to kąpiel w roztworze CaCl₂ oraz działanie niską temp. Dla komórek drożdży czasem usuwa się scianę komórkową.

6 Bezpieczeństwo prac inżynierii genetycznej: a)istnieją uzasadnione obawy o skutki niekontrolowanego manipulowania genami- *można niechcący wprowadzić do genomu bakterii niebezpieczne geny odpowiedzialne za produkcje toksyn, które mogą zagrażać człowiekowi wywołując niebezpieczne choroby- np. pałeczka okrężnicy żyje w jelicie grubym człowieka ale jest też doskonałym obiektem badań genetycznych, * można bakteriom niechcący wprowadzić gen odporności na antybiotyki, które są jedyną bronią człowieka w walce z bakteriami chorobotwórczymi.

b) istnieją uzasadnione nadzieje na rozwiązanie wielu problemów natury zdrowotnej człowieka (w medycynie) dlatego prace inżynierii genetycznej muszą być prowadzone ale przy zachowaniu odpowiednich warunków: *istnieją rygorystyczne przepisy bezpieczeństwa, które muszą być przestrzegane, *przepisy te wykluczają przeprowadzenie niektórych doświadczeń (np. wprowadzenie genów odporności na antybiotyki do bakterii chorobotwórczych) *w laboratoriach wykorzystywany jest jedynie standaryzowany sprzęt, *wykorzystywane są tylko takie szczepy bakterii które nie są zdolne do życia poza laboratorium.

II Rola badań inżynierii genet w medycnie

1 Możliwe są badania dotyczące powstania odporności bakterii na antybiotyki. Hodując wrażliwe komórki gospodarza w obecności antybiotyku pozwala się tylko przeżyć tym które mają wprowadzony plazmid z genem odporności na antybiotyki, można prowadzić więc badania dotyczące sposobu powstawania odporności na antybiotyki przez bakterie, można określać czas niezbędny podawania leku i dawkę odpowiednią dla osoby. Wiadomo dzisiaj, że masowe stosowanie antybiotyków niszczy szczepy wrażliwe umożliwiając rozwój szczepów odpornych na antybiotyki. To jest problem współczesnej medycyny i farmacji.

2 Poznawanie i próba unieszkodliwiania nowych groźnych wirusów np. HIV-opisany w 198. Dzię pracom inżynierii wiadomo dzisiaj, że: *zawiera 2 cząsteczki RNA w których zapisane jest 7 genów *znaleziono sposób hodowania wirusa w warunkach laboratoryjnych *opracowano testy polegające na identyfikacji we krwi `człowieka swoistych przeciwciał anty HIV *pozwala to na poszukiwanie skutecznej szczepionki i lekarstw przeciwko AIDS. Przykład AIDS pokazuje jak potężnym partnerem medycyny jest biologia molekularna i technika inżynierii genet.

3 Dzięki pracom inżynierii Genet. możliwe jest wykorzystanie organizmów jednokomórkowych ( bakteria, drożdże) do syntezy białek potrzebnych człowiekowi. Taki sposób syntezy tych białek to tzw. BIOTECHNOLOGIA. Inżynieria genet wykorzystana jest więc w biotechnologii. Techniką tą powstają więc białka wykorzystywane w medycynie: a)bakterie insulinowe-syntetyzują insulinę ludzką o wyższych wartościach niż bydlęca (za pomocą wektora wprowadza się gen insulinowy do komórek bakterii insulinowych, które produkują insulinę) b)produkcja interferonu przez bakterie – to białko przeciwwirusowe, jedyna broń człowieka w walce z wirusami, c)produkcja szczepionki przeciw wirusowi żółtaczki przez drożdze. (również innych szczepionek wirusowych i bakteryjnych) d)produkcja albuminy surowiczej= immunoglobuliny przez drożdże e) unieruchamianie enzymów na trwałych podłożach- krew chorego, u którego pewien enzym jest nieaktywny przepompowuje się przez urządzenie z aktywnym enzymem, który katalizuje reakcję której nie przeprowadza organizm 4.Rewolucją byłoby skonstruowanie roślin które wiązałyby N z powietrza

5. Możliwe może byćkreślenie genu odpowiedzialnego za wywołanie schorzenia, jego lokalizacja pozwoliłyby na określenie przyczyny chorób i leczenie

6. Pozwala to na wyjaśnienie mechanizmu powstania chorób nowotworowych i ich leczenia

7. Możliwość diagnozowania prenatalnego

8. Rola badań genetycznych dotyczy manipulacji zarodkami i komórkami w medycynie. Manipulacja zarodkami- transfer zygot- daje możliwości pobierania konserwacji, hodowli w warunkach in vitro, oznaczenia płci, przechowywania i transplantacji embrionów zwierzęcych. Poza celami poznawczymi mają znaczenie praktyczne polegające na maksymalnym wykorzystaniu pewnych genotypów zwierząt hodowlanych.

9. Możliwe stało się zbadanie genomu człowieka. Oznacza to, że udało się ustalić sekwencję nukleotydów jakiegoś człowieka. Można więc to zbadać u każdego człowieka.

Wskaż 2 argumenty czy badania nad poznaniem genomu człowieka są potzrebne ludzkości czy też z mogą się okazać zagrożeniem dlajego istnienia? Argumenty za: *poznanie genomu każdego człowieka przyczyni się do podniesienia skuteczności terapii w przypadku różnych chorób, *można pozyskać wiedzę o predyspozycjach chorobowych, co pozwoli na zmianę trybu życia a w efekcie wystąpienie choroby zostanie odsunięte w czasie lub będzie można jej uniknąć, *poznanie genomu rozwijającego się zarodka pozwala określić genetyczne podłoże choroby co umożliwi jej leczenie we wczesnych etapach rozwoju zarodka ( tzw. terapia genowa), *znajomość lokalizacji genów kodujących białka enzymatyczne stwarza możliwość leczenia zaburzeń metabolicznych czyli chorób spowodowanych tzw blokiem metabolicznym, *wyizolowane geny z ludzkich tkanek (gen insuliny) udaje się wprowadzić do komórek bakteryjnych, które rozmnożone w odpowiednich urządzeniach tzw. fermentorach są w stanie produkować białka kodowane przez wprowadzone geny (interferon, insulina) *firmy farmaceutyczne mogą te badania wykorzystać do opracowania leków działających do konkretne geny. *badania genomu dadzą także wygląd w zawartej ścieżki ewolucji, pomogą w ustaleniu rzeczywistego pokrewieństwa między poszczególnymi grupami organizmów. Argumenty przeciw: * badania te mogą prowadzić do przedmiotowego traktowania człowieka, nie wiadomo czy ludzie u których wykryto podatność na choroby nie poczują się gorsi, czy nie zostaną zaliczeni przez społeczeństwo do niższej kategorii *posiadanie klucza do ludzkiego genomu jest równoznaczne z możliwością zarobienia ogromnych pieniędzy przez firmy farmaceutyczne i biotechnologiczne, które dążą do opatentowania wyników ( komercjalizacja badań), *firmy ubezpieczeniowe mogą regulować wysokość składek ubezpieczeniowych dla osób o wysokim prawdopodobieństwie zachorowania na chorobę genetyczną *pracodawcy mogą chcieć określić predyspozycje zawodowe lub skłonność do chorób (dyskryminacja osób obciążonych genetycznie).

10. Coraz bardziej zaangażowane są prace genetyków dotyczące klonowania organizmów. Klony to organizmy całkowicie identyczne pod względem genetycznym zawierające w cząsteczkach kwasów DNA zakodowaną taką samą informację genetyczną tak jak bliźnięta jednojajowe, a więc wyglądają i zachowują się prawie tak samo. Najprostsza metoda klonowania: * polega na usunięciu z komórki jajowej (1n) jądra komórkowego i zastąpienie go jądrem komórki pobranym z jednej z komórek somatycznych (2n) organizmu przeznaczonego do klonowania * Tak powstanie komórka, która staje się zygotą. * zygota ta zacznie normalnie się dzielić i rozwinie się zarodek, * wszczepia się powstały zarodek do macicy przyszłej matki, gdzie zachodzi dalszy rozwój ciąży, * w efekcie urodzi się organizm = Klon, który będzie on miał w komórkach dokładnie taka samą inf genetyczną jak organizm z którego pochodziło wszczepione jądro komórkowe. Udało się już z powodzeniem klonować niektóre rośli zwierzęta. Argumenty za: a) klonowanie terapeutyczne- klon byłby źródłem narządów do przeszczepów dla osób chorych – klon byłby źródłem komórek macierzystych przydatnych w leczeniu chorób. Można by w ten sposób ratować życie wielu ludzi, b) klonowanie reprodukcyjne- może to być sposób na uzyskanie potomstwa przez ludzi którzy nie mogą go mieć w naturalny sposób. Argumenty przeciw: - tworzenie klonów ludzkich w celu pozyskania narządów do przeszczepów jest wysoce niemoralne, - prawne, etyczne i społeczne aspekty klonowania są szeroko dyskutowane na całym świecie.

11. Możliwe jest tworzenie organizmów transgenicznych. Organizmy transgeniczne- mają wprowadzony dodatkowy gen. GMO - to organizmy, na których prowadzono jakieś działania techniką inżynierii genetycznej. Argumenty za: *modyfikując DNA można uzyskać specjalne odmiany hodowlanych roślin i zwierząt o nowych cechach pożądanych przez człowieka, mogą być bardziej odporne na niekorzystne warunki środowiska, mogą być bardziej wydajne dla rolnika: owce wydzielają produkowany lek białkowy do mleka, soja, ziemniaki, pomidory, kukurydza mają określony skład związków organicznych, są estetyczne, odporne.* można uczynić wydajniejszą uprawę roślin i hodowlę zwierząt, co zmniejszy problem głodu na świecie

Argumenty przeciw:

*uprawy transgeniczne często nie koncentrują się na potrzebach rolników i rozwiązywaniu problemów wszystkich ludzi ale są produktem marketingu wielkich korporacji, *nie wiadomo jakie mogą być skutki zdrowotne po wielu latach spożywania takiej żywności, * organizmy transgeniczne mogą wyprzeć z ekosystemów naturalnych mieszkańców co zakłóci równowagę ekologiczną w przyrodzie.

Uwaga! Żywność transgeniczna musi być oznakowana, człowiek świadomie ją spożywa.

12. Możliwa jest terapia genowa: polega ona na wprowadzeniu właściwych kopii genu do komórek. Podjęto próby jej stosowania u ludzi. Możliwa jest w przypadku mukowiscydozy. Pacjent wdycha z inhalatora dawkę leku, w którym są liczne kopie genu umieszczone na wektorach. Na bazie prawidłowego genu powstaje białko, dzięki któremu choroba ustępuje (gęsty i lepki śluz zalega w drogach oddechowych).Kurację trzeba powtarzać ze względu na złuszczanie się komórek nabłonka oddechowego, również tych, które otrzymały prawidłową kopię genu.

Rola genetyki w praktyce rolnej i hodowlanej 1 Od selekcji zarania wykorzystywano zjawisko selekcji (doboru sztucznego). Polega to na wykorzystaniu w hodowli zwierząt czy uprawach roślin osobników o cechach wybranych przez człowieka. Pozwala to: a)zwiększyć wydajność upraw roślin i hodowli zwierząt b)uzyskanie odmian roślin i zwierząt mniej wrażliwych na niekorzystne warunki środowiska c)wyhodowanie owiec o wysokiej wydajności wełny d)wyhodowanie kur znoszących dużo jajek e) wyhodowanie krów o dużej mleczności i świń o wysokiej i szybkiej produkcji mięsa. Długotrwałej selekcji zwierząt towarzyszy prowadzenie ksiąg rodowodowych- powstają tzw. księgi rodowodowe 2 Wiedza genetyczna pozwala na prowadzenie chowu wsobnego-krzyżowanie w pokrewieństwie- jest to długotrwałe krzyżowanie wyselekcjonowanych osobników między sobą co doprowadza do wytworzenia tzw. czystych linii –osobników homozygotycznych wykorzystywanych do osiągnięcia zjawiska heterozji. 3 Heterozja- zjawisko zwiększonej witalności mieszańców w porównaniu do czystych linii rodzicielskich. Heterozyjne odmiany dają większe plony. (Rolnik powinien kupować nasiona roślin heterozyjnych do wysiania i uzyska większe plony niż wysiewając nasiona z własnych plonów, gdyż stopień heterozyjności maleje z pokolenia na pokolenie np. pomidory, ziemniaki, kukurydza). W Polsce heterozją zajmuje się zakład Genetyki PAN w Skierniewicach. 4 Wykorzystuje się też zjawisko mutacji w celu uzyskania pożądanych efektów najczęściej dotyczy to roślin, które uprawiane w kulturach poddaje się działaniu czynników mutagennych, uzyskując zmutowany zarodek a potem całą roślinę. Często efektem mutacji jest poliploidyzacja. 5 Praktyczne wykorzystanie poliploidyzacji-tworzenie osobników o zwielokrotnionej liczbie chromosomów w jądrach komórek. Powstają rośliny o zwiększonych rozmiarach większej bytności niż diploidy mające obniżoną płodność np.: a)poloploidalne buraki cukrowe-dostarczają więcej plonów i cukru z ha niż diploidalne b)tetraploidalna koniczyna i seradela także. 6 Tworzenie mieszańców międzygatunkowych tzw HYBRYDY daje korzyści np.: *muł( klacz+osioł)-siła fizyczna *żubron (żubr+krowa)-zwierzę mięsiste ale słaba mleczność *pszenżyto (żyto+pszenica) *pszenica +perz- odmiany odporne, plenne, dobra mąka 7 Możliwe jest też tworzenie nowych odmian roślin a nawet gatunków np. roślin ozdobnych lub wydających owoce, jakich nie ma w przyrodzie dzikiej np: kapusta głowiasta, kalafior, brukselka, kalarepa. 8 W produkcji rolnej największe zastosowanie mają techniki inżynierii komórkowej opartej na hodowli komórek in vitro, fuzji (łączenie komórek somatycznych). Tak otrzymano cała listę gatunków: ananas, bananowiec, brzoskwinia, burak, chryzantema, czereśnie, czosnek, dalia, eukaliptus, fikus, frezja, gerbera. Tą drogą uzyskuje się rośliny bardziej wydajne ale też zdrowsze. Metoda ta może doprowadzić do wygaśnięcia chorób wirusowych. 9 Możliwe jest regulowanie płci potomstwa.

Wybrane zagadnienia z genetyki czł 1 Człowiek jako obiekt badań genetycznych – człowiek nie jest dobrym obiektem badań genetycznych ponieważ: *ma długi cykl życiowy *nieliczne potomstwo *ma duża liczbę chromosomów *nie można kontrolować kojarzenia par małżeńskich, stwarzać im warunków ekstremalnych. 3 Metody badawcze stosowane w diagnozowaniu leczeniu oraz zapobieganiu chorobom genetycznym: a)analiza rodowodów –genetyka bada sposób dziedziczenia cechy posługując się analizą rodowodów. Cecha uznana za szczególną występuje w kolejnych pokoleniach z określoną regularnością. Można więc ustalić sposób przekazywania danej cechy i określić prawdopodobieństwo że dziecko danej pary rodziców będzie zdrowe lub że urodzi się dotknięte tą chorobą. Lekarz udzielający porady genetycznej uzyskuje informacje dotyczące członków całej rodziny. Przeprowadza się badania osób żyjących, genotypy zmarłych, krewnych, określa się na podstawie wywiadów, dokumentacji szpitalnej. Po ustaleniu którzy z członków rodziny są zdrowi a którzy wykazują objawy choroby lub są swej nosicielami lekarz może skonstruować rodowód rodziny. UWAGA Jeżeli we przedstawionym rodowodzie widać, że kobiety są nosicielkami a chorują zwykle mężczyźni to jest to* dziedziczenie cechy sprzężonej z płcią, np. dziedziczenie hemofilii w angielskiej rodzinie królewskiej, w której królowa Wiktoria była nosicielką tego genu. Dostała ten gen od swojego ojca. W przypadku cechy sprzężonej z płcią ojciec przekazuje zawsze swój gen córce, dopiero córka przekaże ten gen swoim synom.

W rodowodzie rodziny Bacha widać wyraźnie, że umuzykalnienie w kolejnych pokoleniach zależy od umuzykalnienia rodziców a więc taki *rodowód dotyczy dziedziczenia cech ilościowych (poligenia).Im więcej genów nieallelicznych wnoszą rodzice tym rozkład fenotypów jest bardziej zbliżony do normalnego. *Rodowód dotyczy dziedziczenia cechy autosomalnej jeśli ta cecha dziedziczona jest z jednakowym prawdopodobieństwem przez płeć męską i żeńska

b)obserwację bliźniąt jedno- i dwujajowych- Jednojajowe posiadają ten sam skład genetyczny a więc wszystkie cechy bliźniąt są zależne od tych samych genów, zaś obserwowane różnice są wynikiem wpływu środowiska. Bliźnięta takie zapadają na te same choroby, mają te same uzdolnienia i podobieństwo odcisków palców. Obserwacja bliźniąt jednojajowych może być wykorzystana do oceny wpływu środowiska na organy człowieka.

d)amniopunkcja –jest to metoda, która ma na celu pobranie próbek płynu owodniowego który otacza płód. Próbki płodu owodniowego zawierają złuszczone komórki naskórka płodu, które następnie poddaje się badaniom cytogenetycznym. Wyizolowane komórki pobudza się do podziału mitotycznego a następnie zatrzymuje się podział na etapie metafazy, gdy widoczne są chromosomy, zarówno ich liczba jak i ich kształt. To umożliwia tzw. diagnostykę prenatalną czyli wykrywanie zaburzeń genetycznych człowieka w okresie życia płodowego. Umożliwia to także wykonanie analizy kariotypu pobranych komórek płodu.

c)analiza kariotypów- W tym celu należy zatrzymać podział komórki płodu (uzyskanej w trakcie amniopunkcji) na etapie metafazy przy udziale kolchicyny. Po wybarwieniu chromosomów można zaobserwować położenie genów (na podstawie uzyskanych na chromosomie prążków). Pozwala to wykryć mutacje chromosomowe struktury (aberracje) i liczby (genomowe). Analiza kariotypu pozwala wykryć zespół chorobowy Downa, Turnera, Klinefeltera

e)Istnieje rodzaj poradnictwa genetycznego dla rodzin ryzyka genetycznego (rodziny, w których ujawniła się choroba genetyczna) gdzie genetycy udzielają informacji o prawdopodobieństwie ujawnienia się choroby genetycznej, o możliwości diagnozowania i leczenia. Podsumowując rozważania dotyczące genetyki człowieka nasuwają się wnioski: Im bardziej podobne są genotypy rodziców (osoby pokrewne, osoby z rodzin ryzyka genetycznego) tym większe są szanse na to że u dzieci spotkają się 2 allele recesywne odpowiedzialne za chorobę. Tacy ludzie powinni unikać zawierania związków małżeńskich.

4 Eugenika –nauka, która zajmuje się ulepszaniem gatunku, jak ulepszać rasę ludzką i zaoszczędzić jej niepotrzebnych cierpień. Jej podstawy zapoczątkował; w II połowie XIX w Galton

5 Genetyczne podłoże chorób dziedzicznych : a)choroby dziedziczone w sposób recesywny, autosomalny : *mukowiscyoloza *alkaptomuria *fenyloketomuria *albinizm b)choroby dziedziczone w sposób dominujący autosomalny: *pląsawica Huntingtona *choroba Parkinsona( degeneracja kom nerwowych odpowiedzialnych za syntezę dopaminy w mózgu, która jest neuro- przekaźnikami) c)choroby dziedziczone w sposób recesywny sprzężony z płcią: *hemofilia, daltonizm, dystrofia mięśniowa d)choroby będące wynikiem mutacji chromosomów autosomalnych- zespół Patan, Edwardsa, krzyk kota, zespół Downa