Генная инженерия

Генная инженерия возникает в70-е гг. как новая отрасль молекулярной биологии, главная задача которой – активная и целенаправленная перестройка генрв живых существ, их конструирование, то есть управление наследственостью.  

Генная инженерия – раздел молекулярной генетики, связанный с целеноправленным созданием in vitro новых комбинаций геннетического материала, способного размножаться в клетке-хозяине и синтезировать конечные продукты обмена. Возникла в 1972 году, когда в лаборатории П. Берга (Станфордский университет, США) была получена первая рекомбинантная (гибридная) ДНК (рекДНК), в которой были соеденины фрагменты ДНК фага лямбда и кишечной палочки с кольцевой ДНКобезьярьего вируса SV40.

Kлючевое значение при конструировании рекДНК in vitro имеют фрагменты –рестриктазы, рассекающие молекулу ДНК на фрагменты по строго определеным местам , и ДНК –лигазы ,сшивающие фрагменты ДНК в единое целое. Только после выделения таких фрагментов создание искусственных генетических стуктур стало технически выполнимой задачей. Рекомбинантная молекула ДНК имеет форму кольца, она содержит ген (гены), составляющий объект генетических манипуляций, и так называемый вектор-фрагмент ДНК, обеспечивающий размножение рек ДНК и синтез конечных продуктов деятельности генетической системы-белков. Последнее происходит уже в клетке –хозяине, куда вводится рек ДНК. Гены, подлежащие клонированию, могут быть получены в составе фрагментов путем механического или рестриктазного дробления тотальной ДНК. Но структурные гены, как правило, приходиться либо синтезировать химико-биологическим путем, либо получать в виде ДНК- копии информационных РНК, соответсвующих избранному гену. Структурные гены содержат только кодированную запись конечного продукта (белка, РНК), полностью лишены регуляторных участков и потому неспособны, функционировать ни в клетке- хозяине, ни in vitro. Функциональные свойства рекДНК придает вектор, в котором присутствуют участки начало репликации (обеспечивает размножение рекДНК), генетические маркеры, необходимые для селекции, регуляторные участки, обязательные для траксрипции и трансляции генов. Большая часть векторов получена из плазмид кишечной палочки и других бактерий. Используя также векторы на основе фага лямбда, вирусов SV40 и полиомы, дрожжей, Agrobacterium tumefaciens идругие.

При получении рекДНК образуется чаще всего несколько структур, из которых только одна является нужной. Поэтому обязательный этап составляет селекция и молекулярное клонирование рекДНК, введенной путем трансформации в клетку-хозяина. Наиболие часто в качестве клетки-хозяина используют кишечную палочку, однако применяют и другие бактерии, а так же дрожжи (Saccharomyces cerevisiae),животные и растительные клетки. Система вектор-хозяин  

Не может быть произвольной: вектор подгоняется к клетке-хозяину,его выбор зависет от видовой специфичности и целей иследователя. Существует три пути селекции рекДНК : генетический (по маркерам, с помощью избирательных сред), иммунохимическй и гибридизационный с мечеными ДНК и РНК. РекДНК характеризуют физическим картированием (расщепление рекстриктазами и электрофорез фрагментов в геле) и анализом первичной структуры. В результате интенсивного развития методов генной инженерии получены клоны многих генов рибосомальной, транспортной и 5S PHK, гистонов, глобина мыши,кролика, человека, коллагена, овальбумина, инсулина человека, а совсем недавнее открытие- расшировка генома человка, сделанное в январе двухтысячного года, позволет в скором будущем клонировать человека.На основе генной инженерии возникла отрасль фармацевтической промышленности, называемая “индустрией ДНК” и представляющая собой одну из современых ветвей биотехнологии. Допущен для лечебного применения инсулин человека (хумулин) ,полученный по средством рекомбинантных ДНК. Генная инженерия за короткий срок оказала огромное влияние на развитие различных молекулярно-генетических методов и позволила существенно продвинуться на пути познания строения и функционирования геннетического аппарата.В основе же генной инженерии заложенны знания о свойствах организмов,которые передаются по наследству –это так называемая геннетическая информация.

Генетическая информация.

Генетическая информация записана последовательностью нуклеотидов молекул нуклеиновых кислот (ДНК, у некоторых вирусов также РНК). Содержит сведения о строении всех (около 10 000)ферментов, структурных белков и РНК клетки, а также о регуляции их синтеза. Инфоромация о свойствах организма, которая передается по наследству. Генетическая информация записана последовательностью нуклеотидов молекул нуклеиновых кислот (ДНК, у некоторых вирусов также РНК). Содержит сведения о строении всех (около 10 000) ферментов, структурных белков и РНК клетки, а также о регуляции их синтеза. Считывают генетическую информацию разные ферментные комплексы клетки. Один из таких комплексов - аппарат трансляции, состоит из более чем 200 разных макромолекул ( даже у такого сравнительно простого организма, как кишечная палочка). Гинетическая информация, которая считывается в процессе трансляции, складывается из значений триплетов генетического кода и включает знаки начало и окончания белкового синтеза. Другие составляющие генетической информации считываются аппаратами репликации, транскрипции, а также аппаратами иных процессов, оперирующих молекулами, нуклеиновых кислот (таких, как репорация, рестрикация, модефикация, рекомендация, сеграция) и разными регуляторными белками. У многоклеточных организмов при половом размножении генетическая информация передается из поколения в поколение через посредство половых клеток у прокариотичных микроорганизмов ирмеются особые типы передачи генетичекой информации - трансдукция, тансформация.

Итак, обладая генетической информацией можно построить карты хромосом с нанесением на них порядка расположения генов, что успешно осуществил Томас Гент Морган (1866-1945) тчательно изучив явление сцепления и перекреста, происходящего между гомологичными хромосомами и осуществляющего рекомбинацию генов.

Генетическая карта.

Генетическая карта хромосомы - схема взаимного расположения генов, находящихся в одной группе сцепления. Для сотавления генетических карт хромосом необходимо выявление множество мутантных генов и проведения многочисленных скрещиваний. Расстояние между генами на генетической карте хромосом определяют по чистоте кроссинговера между ними. Единицей расстояния генетической карте хромосом мейотически делящихся клеток является морганида, соотвеьсвующая одному проценту кроссинговера. Для построения генетической карты хромосомы эукариот (наиболее подробная гентические карты сотавленны для дрозофилы, у которой изучено более тысячи мутантных генов, а также для кукурузы, имеющей в десяти группых сцепления с выше четырехсот генов) используют меотический и митотический кроссинговер. Сравнение генетических карт хромосом, построенных разными методами у одного и того же вида, выявляет одинаковый порядок расположение генов, хотя расстоуние между конкретными генами на мейотических и митотических генетических картах хромосом могут различаться. В норме генетические карты хромосом у эукариот линейные, однако, например, при построении генетических карт хромосом у гетерозигот по транслакации получается генетическая карта хромосом в виде креста. Это указывает на то, что форма карт отражает характер конъюгации хромосом. У прокариот и вирусов генетические карты хромосом также строят с помощью рекомбинации. При картировании генов у бактерий с помощью конъюгации получается кольцевая генетическая карта хромосомы. Значение генетических карт позволяет планировать работу по получению организмов с определенными сочетаниями признаков, что используется в генетических экспериментах селекционной практике. Сравнение генетических карт хромосом разных видов способствует эволюциоонному процессу. На основе же генетических карт проводят генетический анализ.

Генетический анализ.

Генетический анализ - это совокупность методов иследований наследственных свойств организма (его генотипа), поскольку анализ элементов генотипа (групп сцепления, генов и внутригенных структур) осуществляется, как правило, опосредованно, через признаки, геннетический анализ является по существу анализом признаков, контролируемых теми или иными элементами генотипа. В зависимости от задачи и особенностей изучаемого объекта генетический анализ проводят на популяционном, организменном, клеточном и молекулярном уровнях.

К основным методам геннетического анализа относятся:

Селекционный метод, с помощью которого осуществляют подбор или создание исходного материала,подвергающегося дальнейшему анализу (например,. Г. Мендель , который по существу является основоположником генетического анализа, начинал свою работу с получения константных- гомозиготных-форм гороха путем самоопыления);

Гибридологический метод, представляющий собой систему специальных скрещиваний и учетов их результатов;

Цитогенетичедский метод, заключающийся в цитологическом анализе генетических структур и явлений на основе гибридологического анализа с целью сопоставления генетических явлений со структурой и поведением хромосом и их участков (анализ хромосомных и геномных мутаций, построение цитологических карт хромосом ,цитохимическое изучение активности генов). Частный случай цитогенетичского метода – геномный анализ. На основе популяционного метода изучают генетическую структуру популяций различных организмов: количественно оценивают распределение особей разных генотипов в популяции, анализируют динамику генетической структуры популяций под действием различных факторов (при этом используют создание модельных популяций).

Молекулярно-генетический метод представляет собой биохимическое и физико-химическое изучение структуры и функции генетического материала и направлен на выяснение этапов пути «ген – признак» и механизмов взаимодействия различных молекул на этом пути.

Мутационый метод позволяет (на основе всестороннего анализа мутации) установить особенности, закономерности и механизмы мутагенеза помогает в изучении структуры и функции генов . Особое значение мутационный метод приобретает при работе с организмами, размножающимися бесполым путем и в генетике человека, где возможности гибридологического анализа крайне затруднены.

Близнецовый метод, заключающийся в анализе и сравнении изменчивости признаков в пределах различных групп близнецов, позволяет оценить относительную роль генотипа и внешних условий наблюдаемой изменчивости. Особнно важен эттот метод при работе с малоплодовитыми организмами, имеющими поздние сроки наступления половой зрелости (например, крупный рогатый скот), а так же в генетике человека. В генетическом анализе используют и многие другие методы (онтогенетический, иммуногенетический, математический и так далее), позволяющие комплексно изучать генетический материал.

Генетический анализ является исходным и необходимым этапом на пути к генетическому синтезу (получению организмов с заданными свойствами), в том числе методами генетической инженерии.

Уже в 80-ых гг. геная инжененерия могла дать в неограниченном количестве гормоны и другие белки человека, необходимые дла лечения генетических болезней (например, инсулин, гормон роста и другие). Величайшее же открытие, сделанное учеными в 2000 году – расшифровка генома человека, позволело клонировать не только органы, но и человека.

Список литературы

Биологический энциклопедический словарь 

Москва, «советская энциклопедия» - 1989 г.; главный редактор М.С. Гиляров

Девис Р., Ботстайн Д., Рот Дж., методы генетической инженерии. Генетика бактерий, пер. с анг., М., 1984; Маниатист Т., Фрич Э., Сембурк Дж., Методы генетической инженерии. Молекулярное клонирование, пер. с анг., М., 1984; ПирузиянЭ. С., Андрианов В. М., Плазмиды агробактерий игенетическая инженерия растений, М., 1985; Biotechnology and genetic engineering reviews, v. 1, ed. by G. E. Russel, Newcastle upon Myne, 1984; Genetic manipulation; impact on man and society, ed. by W.Arber [ a.o.] , Camb., 1984.).       

Энциклопедический словарь юного биолога Москва, « Педагогика»-1986 г.; составитель М.Е.Аспиз