Теоритические предпосылки формирования генной инженерии

3.3. Генетическая модификация пластид.

    Во  многих случаях генетической модификации будут подвергаться не ядерные геномы, а геномопластит или митохондрия. Такие системы позволяю значительно увеличить содержание продукта в трансгенном материале.

    В генной инженерии исследуются следующие  направления:

    Управляемая активность генов;

    Селективная экспрессия трансгена в определенных тканях;

    Система экспрессии растения в чужеродной генетической информации, опосредованной вирусами.

    Разработанная усилиями компании “Biosource” (США) технология позволяет быстро и в больших количествах нарабатывать в растениях белки и небольшие молекулы за счет инфицирования растений генетически модифицированными вирусами, со встроенными чужеродными генами тех или иных белков. За этой системой большое будущее, так как она позволяет изменить биосинтетические процессы в растениях без длительных и дорогостоящих манипуляций с растительным геномом. 

3.4. Генные вакцины. Актуальность разработки новых вакцин.

    Вакцины — одно из самых значительных достижений медицины, их использование к тому же чрезвычайно эффективно с экономической точки зрения. В последние годы разработке вакцин стали уделять особое внимание. Это обусловлено тем, что до настоящего времени не удалось получить высокоэффективные вакцины для предупреждения многих распространенных или опасных инфекционных заболеваний. По данным созданной в прошлом году международной организации «Всемирный союз по вакцинам и иммунизации» (в числе ее участников — ВОЗ, ЮНИСЕФ, Международная федерация ассоциаций производителей фармацевтической продукции, Программа Билла и Мелинды Гейтс по вакцинации детей, Рокфеллеровский фонд и др.), в настоящее время отсутствуют эффективные вакцины, способные предупредить развитие СПИДа, туберкулеза и малярии, от которых в 1998 г. умерло около 5 млн человек. Кроме того, увеличилась заболеваемость, обусловленная теми инфекциями, с которыми человечество ранее успешно боролось. Этому способствовало появление лекарственно-устойчивых форм микроорганизмов, увеличение числа ВИЧ-инфицированных пациентов с иммунной недостаточностью, ослабление систем здравоохранения в странах с переходной экономикой, увеличение миграции населения, региональные конфликты и др. При этом распространение микроорганизмов, устойчивых к воздействию антибактериальных препаратов, приобрело характер экологической катастрофы и поставило под угрозу эффективность лечения многих тяжелых заболеваний. Повышенный интерес к вакцинам возник после того, как была установлена роль патогенных микроорганизмов в развитии тех заболеваний, которые ранее не считали инфекционными. Например, гастриты, пептическая язва желудка и двенадцатиперстной кишки, ассоциированная с H. pylori, злокачественные новообразования печени (вирусы гепатита В и С).

3.5. Разработка ДНК-вакцин.

    Используемые  сегодня вакцины можно разделить  в зависимости от методов их получения  на следующие типы:

    • живые аттенуированные вакцины;

    • инактивированные вакцины;

    • вакцины, содержащие очищенные компоненты микроорганизмов (протеины или полисахариды);  
      • рекомбинантные вакцины, содержащие компоненты микроорганизмов, полученные методом генной инженерии.

3.6. Генная инженерия человека.

    В применении к человеку генная инженерия  могла бы применяться для лечения наследственных болезней. Однако, технически, есть существенная разница между лечением самого пациента и изменением генома его потомков.

    В настоящее время эффективные  методы изменения генома человека находятся  на стадии разработки. Долгое время генетическая инженерия обезьян сталкивалась с серьезными трудностями, однако в 2009 году эксперименты увенчались успехом: дал потомство первый генетически модифицированный примат - игрунка обыкновенная.

    Хотя  и в небольшом масштабе, генная инженерия уже используется для того, чтобы дать шанс забеременнеть женщинам с некоторыми разновидностями бесплодия. Для этого используют яйцеклетки здоровой женщины. Ребёнок в результате наследует генотип от одного отца и двух матерей. 

    4. МОЛЕКУЛЯРНАЯ ГЕНЕТИКА  НАСЛЕДСТВЕННОЙ ПАТОЛОГИИ

    Молекулярная  генетика наследственных болезней - это  относительно молодая отрасль молекулярной медицины. Ее зарождение связано с  разработкой нового методического  арсенала (методическая революция 70-х  годов), который предоставил исследователям возможность выделения индивидуальных генов путем их молекулярного клонирования, химического анализа нуклеотидных последовательностей ДНК, конструирования новых генетических структур, изучения механизмов экспрессии генов и ее регуляции. В рамках этого направления сделаны фундаментальные открытия, которые существенно изменили традиционные представления о структуре генов, их организации в геноме и взаимоотношениях ген - белок, ген - признак и генотип - фенотип.

    Методическая  революция 70-х годов имела следствием не только усовершенствование техники генетического анализа и увеличение его разрешающей способности, но и принципиальные изменения методологии современной генетики. Классическая генетика имеет дело с анализом фенотипических признаков разной степени сложности (структура и функциональная активность белков, морфологические признаки, клинические проявления болезней и т.д.), их сцепления и мутационных изменений. При этом изменения признаков трактуются как следствие мутаций соответствующих генов, а идентификация нормального гена, как правило, основана на обнаружении его мутантных (полиморфных) аллелей. Такая стратегия генетических исследований (''от признака к гену'' и ''от мутантного аллеля к нормальному гену'') характерна для всего предшествующего периода развития генетики человека.

    Разработка  принципиально новых методических подходов коренным образом изменила общую стратегию медико-генетических исследований. Во-первых, ген стал основным объектом исследования и изменения  его структуры выявляются не дедуктивно (по фенотипическому проявлению), а путем непосредственного химического анализа первичной структуры ДНК. Во-вторых, появилась возможность структурного анализа клонированных аллелей дикого типа, то есть нормальных генов. А это обстоятельство имеет два существенных следствия: 1) дедуктивное определение аминокислотных последовательностей неизвестных белков на основании первичной структуры клонированного гена и 2) обнаружение мутантных аллелей путем прямого сопоставления первичных структур нормального гена и его мутантов.

    Эта принципиально новая стратегия генетических исследований, особенно важная для изучения генома человека и основ наследственных болезней, может быть сформулирована в форме общих принципов ''от гена к белку'' и ''от нормального гена к мутантному аллелю''. В целом это направление иногда в литературе называют ''обратная генетика'', что подчеркивает принципиальное различие методологий классической (прямой) и молекулярной (обратной) генетики. Совершенно очевидно, что в применении к изучению наследственных болезней эти два разных направления не должны противопоставляться. Между ними нет антагонизма. Наоборот, только комплексное (молекулярное, биохимическое, клиническое) исследование наследственных дефектов будет способствовать решению таких важных фундаментальных и прикладных проблем, как выяснение молекулярных основ этиологии и патогенеза моногенных наследственных болезней, идентификация генетических факторов риска распространенных болезней, пренатальная и преклиническая диагностика и профилактика наследственной патологии, наконец, генная терапия как способ ее радикальной коррекции. В то же время с позиций обратной генетики требуются уточнение и конкретизация некоторых терминов и понятий, привычных и достаточных для трактовки сложных и вариабельных взаимоотношений генотип - фенотип с точки зрения классической генетики.

4.1. Наследственные болезни – объект обратной генетики.

    Каталог моногенных признаков человека, наследуемых  в соответствии с законами Менделя (болезни и нейтральные признаки), который периодически издается американским генетиком В. Мак Кьюсиком, насчитывает более 4 тыс. наименований.     Из них несколько сот болезней можно связать с нарушениями дискретных биохимических функций. К ним относятся гемоглобинопатии, энзимопатии, дефекты систем свертывания крови и фибринолиза, коллагенопатии, лизосомальные болезни накопления. Примерно такое же количество наследственных болезней исследуется в настоящее время методами обратной генетики. Их число постоянно увеличивается в связи с прогрессом молекулярного анализа генома человека. В применении к наследственной патологии большую роль играет стратегия позиционного клонирования, сочетающая подходы классической и молекулярной генетики. Она основана на первоначальном установлении локализации локуса болезни на хромосомах, с последующим выделением фрагментов ДНК из этого локуса и определением их нуклеотидных последовательностей (секвенированием), и обнаружением патологических мутаций при наследственной болезни. Этот подход успешно реализован при идентификации генов, мутации которых вызывают муковисцидоз, мышечную дистрофию Дюшенна, болезнь Гентингтона, гепатолентикулярную дегенерацию (болезнь Вильсона), болезнь Менкеса, синдром Марфана и другие нозологические формы. Позиционное клонирование является эффективным методом обратной генетики, дополняющим принцип тотального секвенирования генома. На основании мирового опыта молекулярного анализа наследственных болезней можно предложить схему взаимоотношений между генотипом, его биохимическими проявлениями (биохимический фенотип) и клинической картиной наследственных болезней (клинический фенотип), которые будут предметом дальнейшего изложения. 
 

4.2. Транс-действующие мутации.

    Существует  довольно большое количество наследственных дефицитов индивидуальных белков или  групп функционально родственных белков, имеющих моногенную природу, и наследуемых в соответствии с законами Менделя, которые не ассоциированы с какими-либо изменениями структуры генов, кодирующих эти белки. Такого рода вторичные, но специфические и патогенетически существенные дефициты белков часто являются фенотипическим выражением мутаций в генах, белки-продукты которых сами по себе не контролируют каких-либо явных фенотипических проявлений, например биохимических реакций (генах-модификаторах в терминах классической генетики). Для обозначения группы мутаций, локализованных вне гена, но нарушающих его нормальную (в количественном и качественном отношениях) экспрессию и вызывающих клинические аномалии, можно предложить термин ''транс-действующие мутации'' (в связи с тем, что эти гены кодируют транс-действующие белковые факторы, необходимые для адекватной экспрессии генов-мишеней и взаимодействующие с регуляторными цис-элементами ДНК). Гены этой группы кодируют компоненты аппарата генной экспрессии (например, белки-регуляторы транскрипции, белки системы образования активной мРНК из РНК - первичного транскрипта гена, белки-ферменты, катализирующие созревание белков и их адекватный внутриклеточный транспорт после их синтеза на рибосомах). Каждый этап экспрессии гена (от гена до признака) контролируется большим количеством белков. Часть их необходима для нормальной экспрессии всех генов, часть - для образования полноценных индивидуальных белков или групп белков, объединяемых общей функцией или внутриклеточной локализацией. Наконец, существует большая группа генов, контролирующих молекулярную программу включения и выключения различных групп генов в онтогенезе. Мутации этих генов вызывают множественные и разнообразные по фенотипу синдромы нарушения эмбрионального развития. Белки-продукты всех этих генов можно обобщенно назвать транс-действующими факторами, а их мутации, вызывающие вторичные, но специфические аномалии биохимического и клинического фенотипа - транс-действующими мутациями. 

    5. ПРОБЛЕМАТИКА ГЕННОЙ  ИНЖЕНЕРИИ.

5.1. Потенциальная опасность генно-инженерных методов.

    С появлением генно-инженерных методов  стало ясно, что они несут в  себе потенциальную опасность. В  чем заключается эта опасность, какие проблемы юридического и этического характера рождает генная инженерия, как формируются и чем регламентируются основные этические принципы медицинской генетики?

    Некоторые потенциально опасные исследования (например, включение генов опухолеродных  вирусов в ДНК плазмид) еще  недавно находились под запретом. Многие предлагают запретить генную инженерию. Однако эти предложения не обоснованны по следующим причинам.

    Во-первых, в настоящее время разработаны  безопасные «векторы», которые вряд ли могут выживать и размножаться вне лабораторий. Чаще всего векторами  выступают плазмиды. Весь процесс  получения бактерий, несущих «нужный» ген, включает в себя несколько стадий: разрезание ДНК человека, включение фрагментов ДНК человека в плазмиды, введение рекомбинантных плазмид в бактериальные клетки, отбор среди клонов трансформированных бактерий тех, которые несут нужный человеческий ген.

    Во-вторых, в большинстве экспериментов  используется бактерия Escherichia соli, а  это повсеместно распространенный вид, живущий в кишечнике человека. Но лабораторные штаммы этой бактерии существуют вне тела человека уже  на протяжении многих тысяч поколений. Их эволюция за это время зашла настолько далеко, что им теперь трудно выжить вне пробирки.

    В-третьих, отработаны обычные меры техники  безопасности, при соблюдении которых  исключены утечки опасных генетических конструкций.

    В-четвертых, в природе существуют пути переноса ДНК от одних видов другим, аналогичные тем, что используются в лабораториях, а генную инженерию, осуществляемую природой, нельзя запретить (речь идет о возможности существования трансдукции генов от одного вида к другому с помощью вирусов).

5.2. Биоэтика. Центральные постулаты биоэтического кодекса.

    Нарастающее проникновение биотехнологий в  изучение наследственности человека вызвало  необходимость появления специальной  науки – биоэтики, разработка проблем  которой имеет уже 15-летнюю историю.

    Из  общей этики, которая возникла еще  во времена античности как часть  практической философии, в наше время  выделилась биоэтика – наука об этичном отношении ко всему живому, в том числе и к человеку. Это важная ступень развития этики в современную эпоху, поскольку присущие промышленному производству высокие технологии очень агрессивны по отношению к человеку, и не только к его телесному здоровью, но и к интеллектуально-эмоциональной сфере.