Генная инженерия

    1.2.8 Динамичность генома 

    Методы  новой генетики расширили наши знания о структуре генетического материала. В 1963 году Тэйлор описал “индуцированные фагом мутации E. Coli”, вскоре после этого, Старлингер и Седлер описали IS-элементов у бактерий. Эти элементы получили название мобильных, теперь же они определяются как специфические последовательности ДНК, которые могут неоднократно внедряться в разные сайты генома. Перенос генов от одной бактерии к другой с помощью фага (трансдукция) известен давно, а теперь используется и в генетической инженерии эукариот (включая клетки млекопитающих). Возможно, такие процессы могут происходить и в природе. Более того, последовательности ДНК, гомологичные глобиновому гену человека, были обнаружены у бобовых растений. Функция такого гена у растений может состоять в том, чтобы “обеспечить кислородом клубеньковые бактерии в ткани”. Наличие этого гена может быть объяснено переносом его от насекомых или млекопитающих [2]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Глава 2. Современные возможности и задачи генетики и генной инженерии 

    Генная  инженерия уже находится на достаточно высоком уровне развития, однако имеет  большие перспективы, предоставляя возможность решения многих проблем  человечества в сфере медицины, сельского  хозяйства и других областях, которые  на данный момент являются довольно животрепещущими [4].

    Одним из основных направлений, в котором  применяются технологии генной инженерии, является сельское хозяйство. Классическим уже методом улучшения качества продуктов сельского хозяйства  является селекция – процесс, в котором  путем искусственного отбора выделяются и скрещиваются отдельные растения или животные, обладающие определенными  свойствами, для наследственной передачи этих свойств и их усиления. Этот процесс достаточно продолжительный и не всегда действительно результативный. Генная инженерия обладает способностью наделить какой-то живой организм свойствами, ему нехарактерными, усилить проявление каких-то существующих свойств или исключить их. Это происходит за счет внедрения новых или исключения старых генов из ДНК организма.

    К примеру, таким образом был выведен  особый сорт картофеля, устойчивого  к колорадскому жуку. Для этого  в геном картофеля был введен ген почвенной тюрингской бациллы Bacillus thuringiensis, которая вырабатывает особый белок, губительный для колорадского жука, но безвредный для человека. Применение генной инженерии для изменения свойств растений, как правило, делается как раз для повышения их устойчивости перед вредителями, неблагоприятными условиями среды, улучшения их вкусовых и ростовых качеств. Вмешательство в геном животных используется для ускорения их роста и повышения продуктивности. В продуктах сельского хозяйства таким образом также искусственно повышается количество незаменимых аминокислот и витаминов, а также их питательная ценность [6].

    Методы  генной инженерии преобразуют клетки бактерий, дрожжей и млекопитающих  в "фабрики" для масштабного  производства любого белка. Это дает возможность детально анализировать  структуру и функции белков и  использовать их в качестве лекарственных средств [11].

    Значительный  прогресс достигнут в практической области создания новых продуктов  для медицинской промышленности и лечения болезней человека    (таблица 2). 

Таблица 2 - Использование генно-инженерных продуктов в медицине 

    Любой прогресс биотехнологий будет зависеть от разработки генетических систем и инструментов, которые позволят более эффективно управлять трансгенами. Ситуация аналогична той, которая наблюдается в компьютерной индустрии, где помимо увеличения объёмов обрабатываемой информации и улучшения самих компьютеров, нужны ещё и операционные системы управления информацией, типа микрософтовских “окон” [16]. 

    Для чистого вырезания трансгенного ДНК в растительный геном, всё  больше применяют заимствованные из микробной генетики системы гомологичной рекомбинации, такие как системы  Cre-lox и Flp-frt. Будущее, очевидно, будет за управляемым переносом генов от сорта к сорту, основанного на применении предварительно подготовленного растительного материала, который уже содержит в нужных хромосомах участки гомологии, необходимого для гомологичного встраивания трангена. Помимо интегративных систем экспрессии, будут опробованы автономно реплицирующиеся векторы. Особый интерес представляют искуственные хромосомы растений, которые теоретически не накладывают никаких ограничений на объём вносимой теоретической информации [6].

    Кроме этого учёные занимаются поиском  генов, кодирующих новые полезные признаки. Ситуация в этой области меняется радикальным образом, прежде всего, существованию публичных баз  данных, которые содержат информацию о большинстве генов, бактерий, дрожжей, человека и растений, а также вследствие разработки методов, позволяющих одновременно анализировать экспрессию большого количества генов с очень высокой пропускной способностью. Применяемые на практике методы можно разделить на две категории:

    - методы, позволяющие вести экспрессионное профилирование: субстракционная гибридизация, электронное сравнение EST-библиотек, «генные чипы» и так далее. Они позволяют устанавливать корреляцию между тем или иным фенотипическим признаком и активностью конкретных генов;

    - позиционное клонирование, заключается в создании за счет инсерционного мутагенеза мутантов с нарушениями в интересующем нас признаке или свойстве, с последующим клонированием соответствующего гена как такового, который заведомо содержит известную последовательность (инсерция).

    Вышеназванные методы не предполагают никаких изначальных сведений о генах, контролирующих тот или иной признак. Отсутствие рационального компонента в данном случае является положительным обстоятельством, поскольку неограничен нашими сегодняшними представлениями о природе и генном контроле конкретного интересующего нас признака [4].

    Изменения генов в живых клетках —  это мутации. Они происходят под  действием, например, мутагенов —  химических ядов или излучений. Но такие  изменения нельзя контролировать или  направлять. Поэтому учёные сосредоточили  усилия на попытках разработать методы введения в клетку новых, совершенно определённых генов, нужных человеку [1].

    Основные  этапы решения генно-инженерной задачи следующие:

    - получение изолированного гена;

    - введение гена в вектор для переноса в организм;

    - перенос вектора с геном в модифицируемый организм;

    - преобразование клеток организма;

    - отбор генетически модифицированных организмов (ГМО) и устранение тех, которые не были успешно модифицированы [9]. 

    2.1 Трансгенные организмы 

    Живой организм, в геном которого искусственно введен ген другого организма называют трансгенными. Ген вводится в геном хозяина в форме так называемой «генетической конструкции» — последовательности ДНК, несущей участок, кодирующий белок, и регуляторные элементы (промотор, энхансер и пр.), а также в некоторых случаях элементы, обеспечивающие специфическое встраивание в геном (например так называемые «липкие концы»). Генетическая конструкция может нести несколько генов, часто она представляет собой бактериальную плазмиду или ее фрагмент [13].

    Целью создания трансгенных организмов является получение организма с новыми свойствами. Клетки трансгенного организма  производят белок, ген которого был  внедрен в геном. Новый белок  могут производить все клетки организма (неспецифическая экспрессия нового гена), либо определенные клеточные  типы (специфическая экспрессия нового гена).

    Создание  трансгенных организмов используют:

    - в научном эксперименте для развития технологии создания трансгенных организмов, для изучения роли определенных генов и белков, для изучения многих биологических процессов; огромное значение в научном эксперименте получили трансгенные организмы с маркерными генами (продукты этих генов с легкостью определяются приборами, например зелёный флуоресцентный белок, визуализируют с помощью микроскопа, так легко можно определить происхождение клеток, их судьбу в организме и т. д.);

    - в сельском хозяйстве для получения новых сортов растений и пород животных;

    - в биотехнологическом производстве плазмид и белков

    Одним из первых примеров успешного создания трансгенных животных было получение  мышей, в геном которых был  встроен гормон гена роста крысы. Некоторые из таких трансгенных мышей росли быстро и достигали размеров, существенно превышавших контрольных животных [17].

    Первая  в мире обезьяна с измененным генетическим кодом появилась на свет в Америке. Самец по кличке Энди родился после  того, как в яйцеклетку его матери был внедрен ген медузы. Опыт проводился с макакой-резусом, которая гораздо  ближе по своим биологическим  признакам к человеку, чем любые  другие животные, до сих пор подвергавшиеся экспериментам по генетической модификации. Ученые говорят, что применение этого  метода поможет им при разработке новых способов лечения таких  болезней, как рак груди и диабет. Однако, как сообщает ВВС, этот эксперимент  уже вызвал критику со стороны  организаций по защите животных, которые  опасаются, что эти исследования приведут к страданиям множества приматов в        лабораториях [13].

    В настоящее время получено большое  количество штаммов трансгенных  бактерий, линий трансгенных животных и растений. Близко по смыслу и значению к трансгенным организмам находятся  трансгенные клеточные культуры. Ключевым этапом в технологии создания трансгенных организмов является трансфекция  — внедрение ДНК в клетки будущего трансгенного организма. В настоящее  время разработано большое количество методов трансфекции [17]. 

    2.2 Химеры 

    Организм или часть организма, состоящие из генетически разнородных тканей получила название химера. В ботанике различают следующие виды химер:

    - мозаичные  (генетически разные ткани образуют тонкую мозаику);

    - секториальные (разнородные ткани расположены крупными участками);

    - периклинальные (ткани лежат слоями друг над другом);

    - мериклинальные (ткани состоят из смеси секториальных и периклинальных участков).

    Химеры  могут возникать в результате прививок растений, под влиянием мутаций соматических клеток. Периклинальные химеры бывают: диплохламидные (например пеларгония с белоокаймлёнными листьями); гаплохламидные (например хлорофитум с белоокаймлёнными листьями).