Genetyka

Jedną z dziedzin biologii jest genetyka, nauka zajmująca się badaniem praw i przyczyn dziedziczności, i zmienności organizmów żywych.
Przekazywanie cech przez człowieka zawsze nas interesowało , jednak poziom wiedzy jeszcze do niedawna nie pozwalał nawet na zrozumienie podstawowych mechanizmów dziedziczenia.
Na początku XX wieku wiedza z dziedziny genetyki była nadal zbyt skąpa, by ja wykorzystywać w rozwiązywaniu praktycznych problemów. Sytuacja ta zaczęła się zmieniać wraz z rozwojem genetyki.
Obecnie wiedza z tej dziedziny stoi na bardzo wysokim poziomie. Prowadzi się mnóstwo badań, dokonuje coraz to nowszych odkryć . Wiedza z dziedziny genetyki przydatna jest w medycynie, mikrobiologii przemysłowej (tj. wykorzystaniu mikroorganizmów w przemyśle farmaceutycznym i spożywczym) oraz w hodowli roślin i zwierząt-inżynieria genetyczna
Znaczenie genetyki w medycynie jest bardzo duże i z każdym rokiem ,z każdym nowym odkryciem wzrasta. Ogromne znaczenie dla ludzkiego zdrowia ma nie tylko znajomość genetyki człowieka ,ale i znajomość genetyki atakujących człowieka bakterii i wirusów.

Jednym z pierwszych badaczy , który podejmował próby wykazania związków pomiędzy cechami rodziców i ich dzieci był angielski przyrodnik i antropolog FRANCISZEK GALTON, który w swojej fundamentalnej książce "Hereditary Genius"(1869) wylansował min. podstawowe założenia eugeniki-nauki, która miała zajmować się doskonaleniem cech dziedzicznych człowieka. Będąc pod wrażeniem poglądów innego wybitnego umysłu F.GALLA- twórcy frenologii- zapomnianej już dzisiaj nauki, zajmującej się zależnościami pomiędzy wielkością , kształtem i powierzchnią czaszki człowieka a jego cechami psychofizycznymi, Galton (w swojej książce ) głosił przez poradnictwo przedślubne, świadome macierzyństwo, i zachęcanie lub zniechęcanie ludzi do prokreacji, chęć zwiększenia ilości osób o korzystnych cechach, i zmniejszenie ilości "posiadaczy" cech niekorzystnych. Był to bardzo niebezpieczny sposób rozumowania, czego dowód znajdujemy w wykorzystywaniu filozofii Galtona przez aryjską rasę "panów" z Hitlerem na czele. Gall i Galton obok niewątpliwych zasług dla rozwoju wiedzy o mózgu i psychice człowieka , mają też "na koncie" szereg niebezpiecznych uproszczeń , które współczesna genetyka odrzuciła. Dzięki temu w naszych czasach znaczenie ma nie eugenika a eufenika-nauka zajmująca się korygowaniem genotypowych skutków chorób genetycznych przez np. operacje czy odpowiednie diety.
1.Niektóre cechy dziedziczone przez człowieka.

U człowieka bardzo wiele cech jest dziedzicznych, zarówno fizycznych jak i biochemicznych, czy fizjologicznych. Większość cech człowieka wykazuje determinację złożoną ( czyli związana z ekspansją większej liczby genów) , ale występuje także determinacja prosta ( związana z jedną parą alleli , czyli jednogenowa)-choć bardzo rzadko.
*Do dziedziczonych cech fizycznych zaliczamy min.: barwę oczu u człowieka (wtedy dziedziczenie ma charakter wielogenowy), wielkość i kształt oczu (każda z tych cech determinowana jest przez odrębną parę alleli; oczy duże " dominują " nad małymi ,okrągłe nad wąskimi), ułożenie oczu (determinacja jednogenowa; oczy proste "dominują " nad oczami skośnymi), przez co i fałd skórny powieki, który nadaje oczom skośny wygląd (jest on cechą dominującą w stosunku do jego braku), długie rzęsy (dominujące nad krótkimi), kształt uszu (który jest cechą złożoną), kształt nosa (podobnie) , barwa włosów (należąca podobnie jak barwa oczu od obecności melaniny; mechanizm determinacji jest tu o tyle podobny ,że" główna" barwa włosów determinowana jest przez jedną parę alleli , a samo natężenie barwy zależy już od kilku genów polimerycznych.), barwa skóry (zależąca najprawdopodobniej od kilku genów polimerycznych, być może tych samych , które wpływają na intensywność barwy włosów).
*Do dziedziczonych cech biochemicznych i fizjologicznych zaliczamy min.: główne grupy krwi (odbywa się to z dominacją zupełną, determinacja jest jednogenowa), czynnik Rh (determinacja jednogenowa), inteligencję (zależącą od licznych genów nieallelicznych, ale i w znacznym stopniu od środowiska ), prawo- i leworęczność (w tym praworęczność uznawana jest za cechę dominującą -96% , determinacja jest tutaj wielogenowa), sposób zwijania języka (umiejętność zwinięcia języka w tzw. trąbkę jest dominująca w stosunku do jej braku; determinacja jest tutaj jednogenowa) , sposób składania rąk "do pacierza" (jeśli kciuk prawej ręki wypada nad kciukiem lewej, to osoba taka wykazuje cechę dominującą; jest to cecha determinowana jednogenowo).Dziedziczone są także choroby psychiczne oraz wady umysłowe.
2.Choroby genetyczne.

Oprócz pewnych cech , dziedziczone są także pewne anomalie genetyczne, powstałe w wyniku dziedziczonych zmienności -czyli zmienności rekombinacyjnej i mutacji .Niektóre dzieci już w momencie narodzin, inne nieco później , wykazują zaburzenia w budowie i (lub) funkcjach organizmu nazwane wadami wrodzonymi. Część z nich ma charakter nabyty , np. po przejściu przez kobietę w pierwszym trymestrze ciąży infekcji wirusem różyczki, albo stosowaniu nieodpowiednich leków. Inne wady wrodzone nazywane są dziedzicznymi , ponieważ zostają przekazane potomkowi przez rodziców , są to choroby genetyczne zwane też dziedzicznymi. Znanych jest około 2000 takich chorób , ponieważ u ludzi stwierdza się dość częste wady genetyczne . Podzielić je można na :
*Anomalie wynikające z dziedziczenia pojedynczych zmutowanych alleli-czyli genopatie , np. fenyloketonuria, alkaptonuria, albinizm, hemofilia, anemia sierpowata , pląsawica Huntingtona, choroba Parkinsona ,daltonizm , i inne;
*Anomalie o charakterze mutacji chromosomowych, np: zespół cri-du-chat;
*Anomalie o charakterze genomowym (czasem genomopatie), czyli przede wszystkim czasami zdarzające się aneuploidie zarówno autosomalne jak, np. zespół Patau, zespół Edwardsa, zespół Dawna, jak i heterosomalne jak, np.:zespół Turnera, zespół XXX, czy zespół XXY.

Poznanie ludzkiego genomu pozwoliło min. na identyfikację genu lub zespołu genów odpowiadających za powstawanie chorób genetycznych , czy też nowotworów( zaliczanych także do chorób genetycznych ) , na które podatność jest dziedziczna.
3.Wykrywanie chorób genetycznych.

Współczesna wiedza i postęp techniki pozwalają stwierdzić obecność nieprawidłowości w rozwoju płodu (które mogą być wywołane zmianami, wadami genetycznymi) już w początkowym okresie ciąży. Ogólnie rzecz biorąc, techniki umożliwiające wykrycie zmian materiału genetycznego już w płodzie można nazwać testami lub badaniami prenatalnymi, wśród których wyróżnia się m.in.:
Amniopunkcję (amniocentezę) .W przypadku podejrzenia ,że chodzi o którąś z genomopatii , lekarz może wykonać analizę kariotypu płodu. Zabieg taki wykonuje się tylko w uzasadnionych przypadkach, ponieważ istnieje niewielkie ryzyko uszkodzenia płodu (mimo stosowania monitoringu przy pomocy ultrasonografu). Metoda ta polega na nakłuciu powłok podbrzusza i macicy , a następnie pobraniu płynu owodniowego. W nim to znajdują się m.in. żywe komórki płodu , które można poddać badaniom, np. oznaczaniu prawidłowości kariotypu .Jest to bardzo dobre rozwiązanie w przypadku rodzin o zwiększonym ryzyku. Jednak nie jest ono skuteczne w przypadku chorób zależnych od pojedynczych genów lub chorób poligenicznych.
Testy DNA płodu uzyskanego z materiału pobranego w czasie amniopunkcji. Wykorzystują one techniki hybrydyzacji DNA "zapożyczone" z inżynierii genetycznej. Możliwe są też inne badania , np. określające poziom i aktywność pewnych enzymów , co pozwala na wykrywanie kilkudziesięciu chorób metabolicznych.
Ultrasonografia , która jest bardzo pomocna w badaniach poprawności rozwoju morfologicznego i anatomicznego starszych płodów Metoda ta pozwala też np. na ustalenie płci dziecka, ale najważniejsze jest to, że praktycznie jest nieinwazyjna.
Wykonywanych jest też szereg testów pourodzeniowych, np sond molekularnych. Sondą jest zwykle odpowiedni odcinek DNA znakowany radioaktywnie. W badaniach tego typu wykorzystuje się zdolność sondy do hybrydyzacji z określoną sekwencją testowanego DNA (mieszańcowe DNA można wykryć metodami radiograficznymi). Przykładem mogą być testy na obecność zmienionych genów odpowiadających za fenyloketonurię, anemię sierpowatą, chorobę Huntingtona, czy też obecność zmutowanych genów BRCA. W tym ostatnim przypadku nie wiadomo jednak na ile geny te zwiększają ryzyko zachorowania na raka piersi lub jajnika.
Badania prenatalne oraz pourodzeniowe dają możliwość wczesnego diagnozowania pewnych schorzeń dziedzicznych (nawet przed urodzeniem ) a w konsekwencji opóźnienie rozwoju choroby , a czasem nawet wyleczenie.
4.Leczenie chorób genetycznych.

Tak więc leczenie chorób genetycznych nie jest takie beznadziejne, jak by się mogło wydawać, patrząc na stopień ich wpływu na organizm ludzki. Możliwości leczenia chorób genetycznych wyrastają po części z faktu , że prawie wszystkie choroby są co najmniej do pewnego stopnia rezultatem współdziałania czynników etiologicznych , genetycznych i środowiskowych, a po części z wysokiego zaawansowania badań z tej dziedziny, co owocuje coraz to bardziej znaczącymi odkryciami.
Wbrew pozorom istnieje wiele sposobów leczenia chorób genetycznych, od specjalnych diet i zabiegów chirurgicznych - praktykowanych już wiele lat temu ,do terapii genowej , która dopiero zaczyna swoją karierę i nie jest jeszcze powszechnie stosowana. Do sposobów leczenia chorób genetycznych zaliczamy m.in.:
-Dietę eliminującą. W galaktosemii i fenyloketonurii jest to usunięcie ( we wczesnym stadium ) galaktozy i fenyloalaniny z diety, co może zapobiec nieodwracalnym uszkodzeniom.
-Dietę uzupełniającą , np. spożywanie odpowiednich ilości uracylu i cytozyny w oroticacidurii.
-Leczenie zapobiegawcze, które może objawiać się zarówno w niezażywaniu pewnych leków , jak i chirurgicznym usuwaniu pewnych organów ,np. okrężnicy zagrożonej rakiem w przypadku polipowatości okrężnicy.
-Usunięcie z organizmu, np. usuwanie nadmiaru żelaza z organizmu poprzez powtarzające się upusty krwi podczas hemochromatozy.
-Zastąpienie brakującego produktu genu, np. podawanie globuliny antyhemofilowej w hemofilii .
-Hamowanie konkurencyjne. W oksolazie , z powodu wadliwej degradacji glioszczawianu do CO2 i H2O, glioszczawian jest przemieniany w nadmiernych ilościach na szczawian. Podawanie hydroksymetylosulfonianu sodowego , będącego substratem dla tego samego enzymu, który bierze udział w przemianie glioszcawianu w szczawian, może być skutecznym leczeniem.
-Zastąpienie upośledzonej tkanki, np. w torbielowatości nerek formą terapii może być transplantacja.
-Inne sposoby leczenia chirurgicznego ,np. w dziedzicznej sferocytozie usunięcie śledziony przyczynia się do ustąpienia głównego objawu-anemii.
Oraz bardziej nowoczesną terapię genową, której warto się szerzej przyjrzeć. Terapia genowa polega na wyizolowaniu potrzebnego genu i wprowadzeniu go do komórek osób dotkniętych chorobą. Jeśli objawy wskazują na dziedziczny charakter choroby , do wyboru są dwa sposoby: wprowadzenie prawidłowej kopii genu albo do komórek linii zarodkowej albo do komórek somatycznych chorego. Pierwszy z tych sposobów będzie zapobiegać przenoszeniu wadliwego allelu na następne pokolenia, natomiast drugi może korygować działanie allelu u osób chorych. Obecnie prowadzone badania dotyczą tylko leczenia komórek somatycznych. W większości przypadków do komórek zamierza się wprowadzić czynną kopię genu, co powinno zniwelować istniejący defekt. W proponowanej terapii genowej nowotworów często przewiduje się jednak wprowadzenie do komórki docelowej genu , który będzie powodować jej śmierć.
Terapia genowa może być realizowana przez wprowadzenie genów bezpośrednio do organizmu pacjenta , z nadzieją, że znajdą one odpowiedną komórkę docelową-jest to terapia in vivo Minusem jest mała wydajność tego procesu. W pewnych przypadkach możliwe jest pobranie komórek od pacjenta, manipulowanie z nimi w hodowlach komórkowych i następnie ponowne wprowadzenie ich do organizmu chorego, czyli tzw. terapia ex vivo.W niektórych zaburzeniach gen terapeutyczny jest adresowany do określonego typu komórek , podczas gdy w innych zespołach chorobowych odpowiednim dla niego celem może być kilka tkanek. Podstawowym problemem w rozwoju terapii genowej jest znalezienie optymalnego wektora przenoszącego gen terapeutyczny do odbierającej go komórki. Jako wektory do terapii genowej największe możliwości oferują wirusy. Przed wykorzystaniem wirusa jako wektora do przenoszenia genów terapeutycznych należy usunąć z niego geny niezbędne do funkcji wirusowych. Zapobiega to rozwojowi wirusa w organizmie i obniża odpowiedź układu immunologicznego pacjenta. Takie delecyjne wirusy są określane jako wirusy przygotowawcze. Pożądany gen jest wprowadzony do pozostałego wirusowego genomu wraz z sekwencjami DNA promującymi i regulującymi jego transkrypcję. Tak zrekombinowana cząstka DNA jest pakowana w odpowiedni płaszcz wirusowy w sposób, który umożliwia jej infekowanie komórek człowieka. Można wykorzystywać kilka różnych wektorów wirusowych: retro wirusy, które można łatwo zaadaptować do przenoszenia odpowiedniego ludzkiego genu, mają one tę zaletę że mogą infekować większość, jeśli nie wszystkie typy komórek i efektywnie ingerują swój genom z genomem komórki gospodarza. J jednak mogą infekować tylko komórki aktywnie dzielące się, przez co wykorzystywane są jedynie w terapii ex vivo. Natomiast lentiwirusy (do których należy ludzki wirus niedoboru odporności HIV) mogą infekować komórki, które się nie dzielą, dlatego są przydatne w postępowaniach in vivo. Obok ww. wirusów, które mogą być przydatne w terapii genowej, są także: adenowirusy, wirusy asocjowane z adenowirusami oraz wirusy opryszczki. Wadami wszystkich wektorów wirusowych są: mała wydajność systemu przenoszenia genów, uruchamianie przez nie odpowiedzi immunologicznej ,oraz bliskie pokrewieństwo z wirusami indukującymi nowotwory. Z tego powodu szczególny nacisk w terapii genowej położono na rozwój wektorów innych niż biologiczne. Najbardziej obiecujące z nich wydają się liposomy, lipidowe micele, które mogą być użyte do przenoszenia DNA przez błonę komórkową. Nie wywołują one odpowiedzi immunologicznej , mogą działać zarówno in- jak i ex vivo, i przenosić fragmenty DNA o dowolnej wielkości. Przykładem terapii genowej może być leczenie zwłóknienia torbielatego metodą in vivo z zastosowaniem adenowirusów jako wektora, która jest niestety mało skuteczna poprzez liczne trudności takie jak: przeszkoda w zainfekowaniu układu oddechowego w postaci śluzu, brak integracji adenowirusów z chromosomami komórek gospodarza , oraz możliwość reakcji immunologicznej na komórki zainfekowane wirusem. Rozwój inżynierii genetycznej oraz próby zastosowania terapii genowych rozbudzają nadzieję szczególnie ludzi dotkniętych anomaliami genetycznymi. Upowszechnienie terapii genowych byłoby niewątpliwie ogromnym osiągnięciem .
5.Poradnictwo genetyczne.

W każdym rozwiniętym kraju istnienie system poradnictwa genetycznego .Każdy człowiek , w którego rodzinie występuje choroba dziedziczna może dowiedzieć się, jakie jest prawdopodobieństwo , że sam jest nosicielem choroby lub ,że choroba ta wystąpi u jego dzieci.
6.Bliźnięta.

Wiele istotnych informacji z zakresu genetyki człowieka dostarczają obserwacje bliźniąt . Franciszek Galton pierwszy podkreślał znaczenie badań nad bliźniętami. Są one szczególnie przydatne przy analizie genetycznej cech poligenicznych, oraz przy określaniu udziału genotypu i środowiska w powstawaniu poszczególnych fenotypów. Owa przydatność wynika stąd, że bliźnięta są genetycznie najbardziej spokrewnionymi ze sobą osobnikami w populacji ludzkiej. Dotyczy to jednak jedynie bliźniąt jednojajowych, dlatego to na nich przeprowadza się badania wpływu różnych czynników zewnętrznych. Natomiast bliźnięta dwujajowe genetycznie znacznie się różnią, nie są bardziej podobne do siebie niż jakakolwiek para osób będąca rodzeństwem, dzięki czemu umożliwiają badanie działania podobnych warunków środowiska na rożne genotypy.
Częstość narodzin bliźniąt różni się znacznie u różnych ras ludzi. Ciąże bliźniacze stanowią średnio ok.1,3 % wszystkich ciąży ludności rasy białej, 0,8% rasy żółtej i 1,4% czarnej (badania przeprowadzane głównie w Stanach Zjednoczonych).
Bliźnięta dwujajowe (dizygotyczne) powstają, gdy dwie komórki jajowe zostaną wytworzone w tym samym prawie czasie i obydwie zostaną zapłodnione oczywiście przez dwa osobne plemniki. Powstają wtedy dwie zygoty, otoczone całkowicie odrębnymi błonami płodowymi, czasami tylko łożysko może być wspólne (podobnie jest w przypadku innych bliźniąt różnojajowych czyli trojaczków, czworaczków, itd., tylko że oczywiście liczba komórek jajowych jest inna.). Bliźnięta dizygotyczne mogą być zarówno tej samej płci jak i płci odmiennej z prawie równą częstością.
Rodzą je częściej matki starsze; stanowią one ok.65% populacji wszystkich bliźniąt rasy białej , a liczba ta jest trochę wyższa u innych ras. Różnice te mogą świadczyć o dużej roli czynników genetycznych, tak samo jak występowanie rodzinnych skłonności do rodzenia bliźniąt. Skłonność do rodzenia dizygotycznych bliźniąt przejawia się tylko u kobiet; kobiety z rodzin o dużej ilości bliźniąt mają większą szansę urodzenia dizygotycznych bliźniąt, mężczyźni z takich rodzin mogą jedynie przenosić te tendencje na swoje córki, ale oni sami nie są częściej ojcami dizygotycznych bliźniąt.
Bliźnięta jednojajowe (monozygotyczne) powstają z jednego zapłodnionego jaja, które zaczyna się normalnie rozwijać, jednak we wczesnych stadiach rozwoju dzieli się na dwie (lub więcej , w przypadku, np. trojaczków) niezależnych części, z których każda rozwija się w osobny zarodek W przypadku bliźniąt jednojajowych obie zygoty mogą być otoczone odrębnymi błonami (owodnią i kosmówką)-tak jak w przypadku bliźniąt dwujajowych, wtedy mogą mięć wspólne albo oddzielne łożysko, mogą też mieć oddzielną owodnię ale wspólną kosmówkę i łożysko, lub mogą mieć wspólną owodnię , łożysko i kosmówkę. Monozygotyczne bliźnięta są genetycznie identyczne, za wyjątkiem możliwych mutacji somatycznych, dlatego też zawsze są tej samej płci i mają identyczne cechy dziedziczne, są do siebie tak podobne, że trudno je odróżnić.
Niekiedy bliźnięta jednojajowe rodzą się zrośnięte (tzw. bracia syjamscy lub siostry syjamskie) , zdarzają się wszystkie stopnie zrośnięcia-począwszy od prawie całkowitego oddzielenia do prawie kompletnego zrośnięcia, kiedy to oddzielone są jedynie głowy lub nogi. Jedno z bliźniąt może zachorować niezależnie od drugiego i nawet umrzeć , przy czym drugie umrze w ciągu kilku godzin jeśli nie zostanie oddzielone operacyjnie od zmarłego. Czasami oba bliźnięta są różnej wielkości i w różnym stopniu rozwinięte, takie nienormalności rozwojowe kończą się zwykle śmiercią noworodków w czasie porodu lub wkrótce po przyjściu na świat.
Częstość rodzenia się monozygotycznych bliźniąt nie zależy od wieku matki; wynosi ona ok.35% całej populacji bliźniąt.
Nie zawsze można odróżnić bliźnięta jednojajowe od dwujajowych, badania takie przeprowadza się poprzez : porównanie dziedzicznych cech morfologicznych, badanie łożyska, lub zastosowanie przeszczepu skóry z jednej osoby na drugą (przeszczep uda się jedynie wtedy , gdy dawca i biorca są bliźniętami jednojajowymi, inaczej zostanie odrzucony po 4-6 tygodniach).
Badania bliźniąt mają na celu określenie roli działania czynników dziedzicznych i środowiskowych na cechy występujące u człowieka. Bliźnięta jednojajowe mają identyczne genotypy , toteż każda różnica między nimi może być przypisana jedynie działaniu czynników zewnętrznych, natomiast bliźnięta dwujajowe nie są bardziej podobne do siebie niż bracia czy siostry urodzeni nierównocześnie, dlatego też są one pomocne w badaniu podobnych warunków środowiska na różne genotypy. Gdy jedno z bliźniąt dwujajowych jest chore umysłowo, drugie choruje również w 25% przypadków . Jeżeli natomiast chore umysłowo jest jedno z bliźniąt jednojajowych , drugie jest dotknięte tą chorobą we wszystkich prawie przypadkach, co dowodzi ogromnego znaczenia dziedziczności w powstawaniu tej cechy . Poza tym bliźnięta jednojajowe są bardziej zbliżone do siebie poziomem inteligencji niż bliźnięta dwujajowe nawet wówczas gdy bliźnięta jednojajowe są wychowywane oddzielnie, a dwujajowe razem.