Патологията буквално се превежда като изследване на страданието (гръцки патос = страдание, логос = изследване); както се прилага в съвременната медицина, това е изследване на болестите. Вирхов със сигурност е бил прав с твърдението, че болестта произхожда от клетъчно ниво, но сега осъзнаваме, че клетъчните смущения възникват от промени в молекулите (гени, протеини и други), които влияят върху оцеляването и поведението на клетките. По този начин основата на съвременната патология е разбирането на клетъчните и молекулярните аномалии, които пораждат заболявания. Полезно е тези аномалии да се разгледат в контекста на нормалната клетъчна структура и функция, което е темата на тази уводна глава.
Не е реалистично (а е дори и нежелателно) да се кондензира обширното и пленително поле на клетъчната биология в една глава. Следователно, вместо да се опитваме да направим изчерпателен преглед, целта тук е да изследваме основните принципи и да подчертаем последните постижения, които са от значение за механизмите на болестите, които са подчертани в останалата част от книгата.
Разчитането на човешкия геном в началото на 21 век беше забележително постижение на биомедицинската наука.
Оттогава цените за секвениране бързо спадат, а изчислителелен капацитет за анализ на огромни количества данни нараства, което предсказва за революция разбирането ни за здравето и болестта.
В същото време се появява нова информация, която разкрива нива на сложност спиращи дъха много отвъд линейното секвениране на генома. Потенциалът за тези нови мощни инструменти за разширяване на нашето разбиране за патогенезата и стимулиране на терапевтичните иновации вълнуват и вдъхновяват както учените и така и лаиците.
Човешкият геном съдържа около 3,2 милиарда ДНК двойки бази. И все пак, в рамките на генома има само приблизително 20 000 гена, кодиращи протеини, съставляващи само 1,5% от генома. Протеините кодирани от тези гени са основните съставки на клетките, функциониращи като ензими, структурни елементи и сигнални молекули. Въпреки че стойността 20 000 подценява действителния брой кодирани протеини (много гени произвеждат множество РНК транскрипти, които кодират различни протеинови изоформи), все пак е стряскащо, че червеите, съставени от по-малко от 1000 клетки - и с 30 пъти по-малки геноми - са също формирани от протеини приблизително годирани от 20 000 гени. Още по-обезпокоително е факта, че много от протеините при червеите са разпознаваеми хомолози на протеини експресирани при хората. Какво тогава различава хората от червеите?
Отговорът не е напълно ясен, но доказателствата подкрепят твърдението, че разликата се крие в 98,5% от човешкия геном, който не кодира протеини. Функцията на тези дълги участъци от ДНК (които са определени като „тъмната материя“ на генома) беше загадка в продължение на много години. Сега обаче е ясно, че над 85% от човешкия геном в крайна сметка се транскрибира, като почти 80% от генома е посветен на регулирането на генната експресия. От това следва, че докато протеините осигуряват градивни елементи и машини, необходими за сглобяване на клетки, тъкани и организми, именно некодиращите области на генома осигуряват критичното „архитектурно планиране“.
Основните класове функционални не-протеин-кодиращи ДНК последователности, открити в човешкия геном, включват (фиг. 1.1):
Фиг. 1.1 Организация на ядрената ДНК. На светлинно микроскопско ниво ядреният генетичен материал се организира в диспергиран, транскрипционно активен еухроматин или плътно опакован, транскрипционно неактивен хетерохроматин; хроматинът може също така да бъде механично свързан с ядрената мембрана, и съответно смущения на ядрената мембрана могат да повлияят на транскрипцията. Хромозомите (както е показано) могат да се визуализират чрез светлинна микроскопия само по време на клетъчното делене. По време на митозата те са организирани в сдвоени хроматиди, свързани при центромерите си; центромерите действат като локус за образуването на кинетохорен протеинов комплекс, който регулира хромозомната сегрегация при метафазата. Теломерите са повтарящи се нуклеотидни последователности, които покриват краищата на хроматидите и позволяват многократна хромозомна репликация без загуба на ДНК в краищата на хромозомата. Хроматидите са организирани в къси „P“ („petite“ - дребни) и дълги „Q“ („следваща буква в английската азбука“) рамена. Характерният лентов вид на хроматидите е приписван на относително съдържание на GC (има по-малко GC съдържание в лентите в сравнение с междулентовите - interband - региони), като гените са склонни да се локализират в междулентовите региони. Отделните хроматинови влакна са съставени от низ от нуклеозоми - ДНК, навита около октамерни хистонови ядра - с нуклеозомите, свързани чрез ДНК линкери. Промоторите са некодиращи области на ДНК, които инициират генна транскрипция; те се намират на и преди асоциираният с тях ген. Усилвателите са регулаторни елементи, които могат да модулират генната експресия на разстояния от 100 kB или повече, като свързват като с ласо промоторите и набирайки допълнителни фактори, необходими за стимулиране на експресията на пре-иРНК. Впоследствие интронните последователности се изрязват от пре-иРНК, за да се получи окончателното съобщение, което включва само екзони, които се транслират в протеини и също така 3'- и 5'-нетранслируеми региони (untranslated regions -UTR), които могат да имат регулаторни функции. В допълнение към подобрителите, промоторите и UTR последователностите, в генома се откриват некодиращи елементи; те включват кратки повторения, места за свързване на регулаторен фактор, некодиращи регулаторни РНК и транспозони.
• Промоторни и енхансерни региони, за които се свързват протеини тип транскрипционни фактори
• Места за свързване на протеини, които организират и поддържат хроматиновите структури от по-високо ниво
• Некодиращи регулаторни РНКи. От 80% от генома, посветен на регулаторни функции, по-голямата част се транскрибира в РНК - микро-РНК и дълги некодиращи РНК (описани по-късно) - които никога не се превръщат в протеин, но могат да регулират генната експресия
• Мобилни генетични елементи (например транспозони). Забележително е, че повече от една трета от човешкия геном е съставен от такива „скачащи гени“. Тези сегменти могат да пътуват около генома и са замесени в регулацията на гените и организацията на хроматина.
• Специални структурни области на ДНК, включващи теломерите (хромозомни краища) и центромерите (хромозомни „връзки“)
Важното е, че много генетични вариации (полиморфизми), свързани със заболявания, се намират в непротеин-кодиращите области на генома. По този начин вариацията в генната регулация може да се окаже по-важна за причиняването на заболяване, отколкото структурните промени в специфични протеини. Друга изненада, която възникна от секвенирането на генома, е, че всеки двама души обикновено са над 99,5% ДНКа идентични (и са 99% идентични на последователността с шимпанзетата)! По този начин индивидуалните вариации, включително диференциалната податливост към заболявания и експозицията на околната среда, са кодирани в под 0,5% от нашата ДНК (важно е, че това все още представлява около 15 милиона базови двойки).
Двете най-често срещани форми на ДНК вариация в човешкия геном са еднонуклеотидни полиморфизми (single-nucleotide polymorphisms - SNPs) и вариации на броя на копията (copy number variations - CNVs).
• SNPs са варианти при позиции с единични нуклеотиди и почти винаги са биалелни (съществуват само два варианта на дадено място в популацията, като A или T). Идентифицирани са над 6 милиона човешки SNP, като много от тях показват широки вариации в честотата в различните популации. Следните характеристики заслужават внимание:
• SNP се срещат в целия геном - в рамките на екзони, интрони, интергенни региони и кодиращи региони.
• Около 1% от SNPs се срещат в кодиращи региони, което е приблизително очакваното, тъй като кодиращите региони съставляват около 1,5% от генома.
• SNPs разположени в некодиращи региони, могат да се появят в регулаторни елементи в генома, като по този начин променят генната експресия; в такива случаи SNP може да има пряко влияние върху податливостта към болести.
SNPs могат да бъдат и „неутрални“ варианти без ефект върху генната функция или фенотипа на носителя.
• Дори „неутралните“ SNPs могат да бъдат полезни маркери, ако се случи да бъдат наследени със свързан с болест ген в резултат на физическа близост. С други думи, SNP и причиняващият генетичен фактор са в свързано неравновесие (linkage disequilibrium).
• Ефектът на повечето SNPs върху податливостта към болести е слаб и остава да се види дали идентифицирането на такива варианти - самостоятелно или в комбинация - може да се използва за разработване на ефективни стратегии за прогнозиране или профилактика на заболявания.
• CNV са форма на генетична вариация, състояща се от различен брой големи съседни участъци на ДНК; те могат да варират от 1000 базови двойки до милиони базови двойки. В някои случаи тези локуси, подобно на SNP са биалелични и просто се дублират или изтриват в следващите поколения. В други случаи има сложни пренареждания на геномния материал с множество алели в човешката популация. CNV са отговорни разликата в последователността на няколко милиона базови двойки между двама случайно избрани човека. Приблизително 50% от CNV включват генно-кодиращи последователности; по този начин CNV могат да стоят в основата на голяма част от човешкото фенотипно разнообразие.
Важно е да се отбележи, че промените в ДНК последователността не могат сами по себе си да обяснят разнообразието от фенотипове в човешките популации; освен това класическата генетична наследственост не може да обясни различни фенотипове при монозиготни близнаци. Отговорите на тези загадки вероятно се крият в епигенетиката - наследствени промени в генната експресия, които не са причинени от промени в ДНК последователността (виж по-късно).
Хистонова организация
Въпреки че почти всички клетки в тялото имат същия генетичен състав, диференцирани клетки имат различни структури и функции, произтичащи от родово-специфичните програми за генната експресия. Такива специфични за типа клетки разлики в транскрипцията и транслацията на ДНК се регулират от епигенетични модификации, които се състоят от няколко промени, които оказват дълбоко влияние върху генната експресия, включително:
• Хроматинова организация (фиг. 1.2).
Фиг. 1.2 Хроматинова организация. (А) Нуклеозомите се състоят от октамери на хистонови протеини (по две от хистоновите субединици H2A, H2B, H3 и H4), обградени от 1,8 бримки от 147 базови двойки ДНК; хистон Н1 е разположен върху 20 до 80 нуклеотидна линкерна ДНК между нуклеозомите и спомага за стабилизирането на цялостната хроматинова архитектура. Хистоновите субединици са заредени положително, като по този начин позволяват уплътняването на отрицателно заредената ДНК. (Б) Относителното състояние на отвореност на ДНК (и по този начин достъп до транскрипционни фактори) се регулира чрез химични модификации на хистоните, например чрез ацетилиране, метилиране и / или фосфорилиране (така наречените „марки“); маркировките се записват и изтриват динамично. Някои марки като хистоновото ацетилиране "отварят" хроматиновата структура, докато други, като метилиране на определени хистонови остатъци, са склонни да кондензират ДНК и да водят до заглушаване на гените маиращи се там. Самата ДНК също може да бъде метилирана, което е модификация асоциирана с транскрипционното инактивиране.
Геномната ДНК е опакована в нуклеозоми, които са съставени от 147 базови двойки ДНК сегменти, увити около централна сърцевина
Внимание! Този превод, възможно, още не е готов.
Неговият статут: в процес на превод
Преведено в Нотабеноид
http://prevodi.chitanka.info/book/71/293
Преводачи: thegreenmarker
Готово: