Генетическая (генная) инженерия

Генетическая (генная) инженерия – конструирование искусственным путем генетических структур и наследственно измененных организмов. Генетическая инженерия – раздел (прикладная ветвь) молекулярной генетики, связанный с целенаправленным созданием новых молекул ДНК, способных размножаться в клетке-хозяине. При этом происходит искусственное, целенаправленное изменение генотипа организма (микроорганизма) и формирование новых признаков и свойств. Генная инженерия занимается рашифровкой структуры генов, их синтезом и клонированием, вставкой выделенных из клеток живых организмов генов в клетки растений и животных с целью направленного изменения их генетических особенностей.

Хорошо разработанными методами генной инженерии являются трансгенез, микробиологический синтез и др.

Трансгенез – перенос генов от одного вида организмов в другой. Трансгенез осуществляется путем разрезания и сшивания участков ДНК при участии ферментов – рестриктаз и лигаз.

Этапы трансгенеза :

а) выделение генов (фрагментов ДНК) из клеток бактерий, растений или животных с помощью фермента рестриктазы ;

б) соединение (сшивание) генов (фрагментов ДНК) с плазмидой с помощью фермента лигазы ;

в) введение гибридной плазмидной ДНК, содержащей нужный ген в клетку хозяина;

г) копирование (клонирование) этого гена в клетке хозяина и обеспечение его работы по схеме: «Код ДНК – транскрипция – трансляция – белок»

Инструментами генной инженерии являются открытые в 1974 г ферменты – рестриктазы (рестрикционные эндонуклеазы). Рестриктазы узнают участки (сайты) ДНК, вносят разрезы в цепях ДНК. На концах каждого фрагмента образуются одноцепочечные хвосты, называемые «липкими концами», поскольку они могут, как бы слипаться между собой вследствие комплементарности.

Рестриктазы узнают в двухцепочечной ДНК определенную, только свою последовательность нуклеотидов ДНК. Затем рестриктаза прикрепляется к распознаваемому участку нуклеотидов и разрезает его в месте прикрепления. Чаще рестриктазы распознают в молекуле ДНК участки длиной в 4–6 пар нуклеотидов и разрезают обе цепи ДНК посередине этих участков или обычно со смещением. Примеры рестриктаз : рестриктаза Eco RI , которая узнает фрагмент ДНК из шести нуклеотидов ГААТТЦ (место разреза между нуклеотидами Г и А обеих цепей ДНК); рестриктаза Hind III распознает участок ААГЦТТ (место разреза между нуклеотидами А и А обеих цепей ДНК); рестриктаза Bam I распознает участок ГГАТЦЦ (место разреза между нуклеотидами Г и Г обеих цепей ДНК); рестриктаза Hae III распознает участок ГГЦЦ (место разреза между нуклеотидами Г и Ц обеих цепей ДНК); рестриктаза Hpa II распознает участок ЦЦГГ(место разреза между нуклеотидами Ц и Ц обеих цепей ДНК).

Далее для конструирования генетически измененного организма необходимо ввести нужный ген в клетку этого организма. Введение чужеродных генов в организм осуществляется с помощью плазмидного вектора . Вектором является плазмида – маленькая кольцевая молекула ДНК, которую извлекают из цитоплазмы бактериальной клетки. Плазмиды – факторы наследственности, расположенные вне хромосом, представляющие собой внехромосомную ДНК .

Рис . 37.

А – Схема введения чужеродной ДНК в бактериальную плазмиду с использованием ферментов (рестрикционной эндонуклеазы и лигазы).

Б – Схема переноса гена человека, ответственного за синтез гормона инсулина и образование векторной ДНК.

Свойства плазмиды: 1) обладает способностью к автономной репликации; 2) содержит гены, кодирующие антибиотики; 3) способны встраиваться в хромосому клетки-реципиента; 4) распознает участки ДНК, которые могут разрезать ферменты - рестриктазы; 5) рестриктаза может разрезать плазмиду и переводить ее в линейное состояние. Эти свойства плазмиды исследователи используют для получения рекомбинантных (гибридных) ДНК.

Последовательность введения ДНК в плазмиду (плазмидный вектор) с помощью фермента рестриктазы (рис. 37 А):

1) рестрикция – разрезание молекулы ДНК рестриктазой, образование фрагментов ДНК и выделение необходимого гена ;

2) включение выделенного гена в плазмиду , т. е. получение рекомбинантной (гибридной) ДНК путем введения фрагмента чужеродной ДНК в плазмиду;

3) лигирование – сшивание ферментом лигазой плазмидного (векторного) и чужеродного фрагментов ДНК; при этом концы векторной и чужеродной ДНК (т. н. «клейкие концы») комплементарны друг другу;

4) трансформация – введение рекомбинантной плазмиды в геном другой клетки (клетки-реципиента), в частности, бактериальной клетки.

Следует отметить, что плазмиды проникают лишь в часть обработанных бактерий. Трансформированные бактерии вместе с плазмидами приобретают устойчивость к определенному антибиотику, что позволяет их отделить от нетрансформированных, погибающих на среде, содержащей антибиотик. Каждая из трансформированных бактерий, помещенная на питательную среду, размножается и образует колонию из многих тысяч потомков – клон.

5) скрининг – отбор среди трансформированных бактерий тех, которые содержат плазмиды с нужным геном.

Трансгенные животные и растения

Клонированные гены с помощью микроинъекции вводят в яйцеклетку млекопитающих или протопласты растений (изолированная клетка, лишенная клеточной стенки) и далее из них выращивают животных, или растения, в геноме которых действуют чужеродные гены. Растения и животные, геном которых изменен путем генноинженерных операций, получили название трансгенных организов (трансгенных растений и животных) , поскольку в нем содержатся чужеродные гены. Получены трансгенные мыши, кролики, свиньи, овцы. В их геноме работают гены бактерий, млекопитающих, человека. Получены трансгенные растения (кукуруза, перец, томаты, пшеница, рожь, бобовые, картофель и др.), содержащие гены неродственных видов. Трансгенные растения устойчивы к гербицидам, насекомым, неблагоприятным погным условиям и др. Постепенно решается проблема изменения наследственности многих сельскохозяйственных растений.

Генетическая карта хромосом. Генная терапия

Генетической картой хромосом называют схему взаимного расположения генов, находящихся в одной группе сцепления. Такие карты составляются для каждой пары гомологичных хромосом. На генетической карте указан порядок расположения генов в хромосоме и расстояния между ними (процент кроссинговера между определенными генами). Так создание новых штаммов микроорганизмов, способных синтезировать гормоны, белки, лекарственные препараты основывается на знании генетических карт микроорганизмов. Генетические карты человека необходимы для медицинской генетики. Знания о локализации гена в определенной хромосоме используются при диагностике ряда наследственных заболеваний, а также в генной терапии для исправления структуры и функции генов.

Генная терапия – замена дефектных генов на неповрежденные, или исправление их структуры.

Для борьбы с наследственными, онкологическими и возрастными заболеваниями разрабатываются методы генной терапии, безопасные для клеток человека. С использованием методов генной терапии можно заменять в организме дефектные гены, в которых произошли точковые мутации, на неповрежденные. В наше время ученые осваивают методы биобезопасности человека: внедрение нужных генов в клетки организма человека. Это позволит избавиться от многих наследственных заболеваний.

Микробиологический синтез

Методы генной инженерии позволили осуществить микробиологический синтез (рис. 37 Б). С помощью методов генной инжененрии микробиологи смогли получить штаммы бактерий, благодаря которым успешно осуществляется микробиологический синтез. Для этого производится отбор необходимых бактериальных клеток, не содержащих плазмид. Выделяются молекулы ДНК с заданной последовательностью нуклеотидов, определяющих развитие нужного признака. Плазмида с встроенным участком ДНК (геном) вводится в бактериальную клетку, в которой встроенный участок ДНК начинает работать (идут процессы репликации, транскрипции, трансляции), и в бактериальной клетке синтезируется нужный белок (интерферон, генферон, иммуноглобулин, инсулин, соматотропин и др.). В промышленных количествах получены гормоны (инсулин, соматотропин), многие аминокислоты, антибиотики, вакцины и др. Такие бактерии размножают в промышленных масшабах и производят необходимый белок.

С помощью генетических методов получен штамм микроорганизма Pseudomonas denitrificans, который производит в десятки раз больше витамина C, витаминов группы B, чем исходная форма; новый штамм бактерии микрококкус глутамикус выделяет в сотни раз больше аминокислоты лизина, чем исходная (дикая) культура лизинобразующей бактерии.

Клеточная инженерия

Клеточная инженерия – культивирование отдельных клеток или тканей на специальных искусственных средах, разработка методов создания клеток нового типа путем их гибридизации, замены хромосом и выращивание из них гибридов.

1. Метод культуры тканей

Метод заключается в культивировании изолированных клеток или кусочков тканей на искусственной питательной среде в соответствующих микроклиматических условиях. В результате культивирования растительные клетки или кусочки ткани регенерируют в целое растение. Путем микроклонального размножения отдельных клеток, или кусочков тканей (чаще верхушечной меристемы стебля или корня) можно получить множество полезных растений. Микроклиматические условия и питательные среды для регенерации декоративных, культурных, лекарственных растений подбираются экспериментально. Культура тканей также используется для получения диплоидных растений после обработки исходных гаплоидных форм колхицином.

2. Соматическая гибридизация

Соматическая гибридизация включает получение гибридных клеток, а из них – новых форм; искусственное оплодотворение яйцеклеток.

Получение новых гибридных растений путемслияния протопластов (ядро и цитоплазма) различных клеток в культуре тканей. Для слияния протопластов с помощью ферментов разрушают стенку растительной клетки и получают изолированный протопласт. При культивировании таких протопластов разных видов растений осуществляется их слияние и образование форм с новыми полезными признаками. Искусственное оплодотворение яйцеклеток осуществляют посредством метода экстракорпорального оплодотворения (ЭКО), позволяющего произвести оплодотворение яйцеклеток в пробирке с последующей имплантацией эмбриона на ранней стадии развития, и преодолеть некоторые формы бесплодия у человека.

3. Хромосомная инженерия – замена отдельных хромосом в клетках растений или добавление новых. У диплоидов имеются пары гомологичных хромосом, и такие организмы называются дисомики. Если в одной какой-либо паре оставить одну хромосому, то формируется моносомик. Если добавить в какую-либо пару третью гомологичную хромосому, то формируется трисомик и т. д. Возможна замена отдельных хромосом одного вида на хромосомы другого вида. Полученные формы называются замещенными .

ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ИНЖЕНЕРИЯ, совокупность методов биохимии и молекулярной генетики, с помощью которых осуществляется направленное комбинирование генетической информации любых организмов. Генетическая инженерия позволяет преодолевать природные межвидовые барьеры, препятствующие обмену генетической информацией между таксономически удалёнными видами организмов, и создавать клетки и организмы с не существующими в природе сочетаниями генов, с заданными наследуемыми свойствами. Главным объектом генно-инженерного воздействия является носитель генетической информации - дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), молекула которой обычно состоит из двух цепей. Строгая специфичность спаривания пуриновых и пиримидиновых оснований обусловливает свойство комплементарности - взаимного соответствия нуклеотидов в двух цепях. Создание новых сочетаний генов оказалось возможным благодаря принципиальному сходству строения молекул ДНК у всех видов организмов, а фактическая универсальность генетические кода обеспечивает экспрессию чужеродных генов (проявление их функциональной активности) в любых видах клеток. Этому способствовало также накопление знаний в области химии нуклеиновых кислот, выявление молекулярных особенностей организации и функционирования генов (в том числе установление механизмов регуляции их экспрессии и возможности подчинения генов действию «чужих» регуляторных элементов), разработка методов секвенирования ДНК, открытие полимеразной цепной реакции, позволившей быстро синтезировать любой фрагмент ДНК. Важными предпосылками для появления генетической инженерии явились: открытие плазмид, способных к автономной репликации и переходу из одной бактериальной клетки в другую, и явления трансдукции - переноса некоторых генов бактериофагами, что позволило сформулировать представление о векторах: молекулах - переносчиках генов. Огромное значение в развитии методологии генетической инженерии сыграли ферменты, участвующие в преобразовании нуклеиновых кислот: рестриктазы (узнают в молекулах ДНК строго определённые последовательности - сайты - и «разрезают» двойную цепь в этих местах), ДНК-лигазы (ковалентно связывают отдельные фрагменты ДНК), обратная транскриптаза (синтезирует на матрице РНК комплементарную копию ДНК, или кДНК) и др. Только при их наличии создание искусственных структур стало технически выполнимой задачей. Ферменты используются для получения индивидуальных фрагментов ДНК (генов) и создания молекулярных гибридов - рекомбинантных ДНК (рекДНК) на основе ДНК плазмид и вирусов. Последние доставляют нужный ген в клетку хозяина, обеспечивая там его размножение (клонирование) и образование конечного продукта гена (его экспрессию).

Принципы создания рекомбинантных молекул ДНК. Термин «генетическая инженерия» получил распространение после того, как в 1972 году П. Бергом с сотрудниками впервые была получена рекомбинантная ДНК, представлявшая собой гибрид, в котором были соединены фрагменты ДНК бактерии кишечной палочки, её вируса (бактериофага λ) и ДНК обезьяньего вируса SV40 (рис. 1). В 1973 году С. Коэн с сотрудниками использовали плазмиду pSC101 и рестриктазу (EcoRI), которая разрывает её в одном месте таким образом, что на концах двухцепочечной молекулы ДНК образуются короткие комплементарные одноцепочечные «хвосты» (обычно 4-6 нуклеотидов). Их назвали «липкими», поскольку они могут спариваться (как бы слипаться) друг с другом. Когда такую ДНК смешивали с фрагментами чужеродной ДНК, обработанной той же рестриктазой и имеющей такие же липкие концы, получались новые гибридные плазмиды, каждая из которых содержала, по крайней мере, один фрагмент чужеродной ДНК, встроенной в EcoRI-сайт плазмиды (рис. 2). Стало очевидным, что в такие плазмиды можно встраивать фрагменты разнообразных чужеродных ДНК, полученных как из микроорганизмов, так и из высших эукариот.

Основной современной стратегии получения рекДНК сводится к следующему:

1) в ДНК плазмиды или вируса, способных размножаться независимо от хромосомы, встраивают принадлежащие другому организму фрагменты ДНК, содержащие определённые гены или искусственно полученные последовательности нуклеотидов, представляющие интерес для исследователя;

2) образующиеся при этом гибридные молекулы вводят в чувствительные прокариотические или эукариотические клетки, где они реплицируются (размножаются, амплифицируются) вместе со встроенными в них фрагментами ДНК;

3) отбирают клоны клеток в виде колоний на специальных питательных средах (или вирусов в виде зон просветления - бляшек на слое сплошного роста клеток бактерий или культур тканей животных), содержащие нужные типы молекул рекДНК и подвергают их разностороннему структурно-функциональному изучению. Для облегчения отбора клеток, в которых присутствует рекДНК, используют векторы, содержащие один и более маркеров. У плазмид, например, такими маркерами могут служить гены устойчивости к антибиотикам (отбор клеток, содержащих рекДНК, проводят по их способности расти в присутствии того или иного антибиотика). РекДНК, несущие нужные гены, отбирают и вводят в реципиентные клетки. С этого момента начинается молекулярное клонирование - получение копий рекДНК, а следовательно, и копий целевых генов в её составе. Только при возможности разделения всех трансфицированных или инфицированных клеток каждый клон будет представлен отдельной колонией клеток и содержать определённую рекДНК. На заключительном этапе производится идентификация (поиск) клонов, в которых заключён нужный ген. Она основывается на том, что вставка в рекДНК детерминирует какое-то уникальное свойство содержащей его клетки (например, продукт экспрессии встроенного гена). В опытах по молекулярному клонированию соблюдаются 2 основных принципа: ни одна из клеток, где происходит клонирование рекДНК, не должна получить более одной плазмидной молекулы или вирусной частицы; последние должны быть способны к репликации.

В качестве векторных молекул в генетической инженерии используется широкий спектр плазмидных и вирусных ДНК. Наиболее популярны клонирующие векторы, содержащие несколько генетических маркеров и имеющие по одному месту действия для разных рестриктаз. Таким требованиям, например, лучше всего отвечает плазмида pBR322, которая была сконструирована из исходно существующей в природе плазмиды с помощью методов, применяемых при работе с рекДНК; она содержит гены устойчивости к ампициллину и тетрациклину, а также по одному сайту узнавания для 19 разных рестриктаз. Частным случаем клонирующих векторов являются экспрессирующие векторы, которые наряду с амплификацией обеспечивают правильную и эффективную экспрессию чужеродных генов в реципиентных клетках. В ряде случаев молекулярные векторы могут обеспечивать интеграцию чужеродной ДНК в геном клетки или вируса (их называют интегративными векторами).

Одна из важнейших задач генетической инженерии - создание штаммов бактерий или дрожжей, линий клеток тканей животных или растений, а также трансгенных растений и животных (смотри Трансгенные организмы), которые обеспечивали бы эффективную экспрессию клонируемых в них генов. Высокий уровень продукции белков достигается в том случае, если гены клонируются в многокопийных векторах, т.к. при этом целевой ген будет находиться в клетке в большом количестве. Важно, чтобы кодирующая последовательность ДНК находилась под контролем промотора, который эффективно узнаётся РНК-полимеразой клетки, а образующаяся мРНК была бы относительно стабильной и эффективно транслировалась. Кроме того, чужеродный белок, синтезируемый в реципиентных клетках, не должен подвергаться быстрой деградации внутриклеточными протеазами. При создании трансгенных животных и растений часто добиваются тканеспецифичной экспрессии вводимых целевых генов.

Поскольку генетический код универсален, возможность экспрессии гена определяется лишь наличием в его составе сигналов инициации и терминации транскрипции и трансляции, правильно узнаваемых хозяйской клеткой. Т. к. большинство генов высших эукариот имеет прерывистую экзон-интронную структуру, в результате транскрипции таких генов образуется матричная РНК-предшественник (пре-мРНК), из которой при последующем сплайсинге выщепляются некодирующие последовательности - интроны и образуется зрелая мРНК. Такие гены не могут экспрессироваться в клетках бактерий, где отсутствует система сплайсинга. Для того чтобы преодолеть это препятствие, на молекулах зрелой мРНК с помощью обратной транскриптазы синтезируют ДНК-копию (кДНК), к которой с помощью ДНК-полимеразы достраивается вторая цепь. Такие фрагменты ДНК, соответствующие кодирующей последовательности генов (уже не разделённой нитронами), можно встраивать в подходящий молекулярный вектор.

Зная аминокислотную последовательность целевого полипептида, можно синтезировать кодирующую его нуклеотидную последовательность, получив так называемый ген-эквивалент, и встроить его в соответствующий экспрессирующий вектор. При создании гена-эквивалента обычно учитывают свойство вырожденности генетического кода (20 аминокислот кодируются 61 кодоном) и частоту встречаемости кодонов для каждой аминокислоты в тех клетках, в которые планируется вводить этот ген, так как состав кодонов может существенно отличаться у разных организмов. Правильно подобранные кодоны могут значительно повысить продукцию целевого белка в реципиентной клетке.

Значение генетической инженерии. Генетическая инженерия значительно расширила экспериментальные границы молекулярной биологии, поскольку стало возможным вводить в различные типы клеток чужеродную ДНК и исследовать её функции. Это позволило выявлять общебиологические закономерности организации и выражения генетической информации в различных организмах. Данный подход открыл перспективы создания принципиально новых микробиологических продуцентов биологически активных веществ, а также животных и растений, несущих функционально активные чужеродные гены. Многие ранее недоступные биологически активные белки человека, в том числе интерфероны, интерлейкины, пептидные гормоны, факторы крови, стали нарабатываться в больших количествах в клетках бактерий, дрожжей или млекопитающих и широко использоваться в медицине. Более того, появилась возможность искусственно создавать гены, кодирующие химерные полипептиды, обладающие свойствами двух или более природных белков. Всё это дало мощный импульс к развитию биотехнологии.

Главными объектами генетической инженерии являются бактерии Escherichia coli (кишечная палочка) и Bacilltis subtilis (сенная палочка), пекарские дрожжи Saccharomices cerevisiae, различные линии клеток млекопитающих. Спектр объектов генно-инженерного воздействия постоянно расширяется. Интенсивно развиваются направления исследований по созданию трансгенных растений и животных. Методами генетической инженерии создаются новейшие поколения вакцин против различных инфекционных агентов (первая из них была создана на основе дрожжей, продуцирующих поверхностный белок вируса гепатита В человека). Большое внимание уделяется разработке клонирующих векторов на основе вирусов млекопитающих и использованию их для создания живых поливалентных вакцин для нужд ветеринарии и медицины, а также в качестве молекулярных векторов для генной терапии раковых опухолей и наследственных заболеваний. Разработан метод прямого введения в организм человека и животных рекДНК, направляющих продукцию в их клетках антигенов различных инфекционных агентов (ДНК-вакцинация). Новейшим направлением генетической инженерии является создание съедобных вакцин на основе трансгенных растений, таких как томаты, морковь, картофель, кукуруза, салат и др., продуцирующих иммуногенные белки возбудителей инфекций.

Опасения, связанные с проведением генно-инженерных экспериментов. Вскоре после первых успешных экспериментов по получению рекДНК группа учёных во главе с П. Бергом предложила ограничить проведение ряда генно-инженерных опытов. Эти опасения основывались на том, что свойства организмов, содержащих чужую генетическую информацию, трудно предсказать. Они могут приобрести нежелательные признаки, нарушить экологическое равновесие, привести к возникновению и распространению необычных заболеваний человека, животных, растений. Кроме того, отмечалось, что вмешательство человека в генетический аппарат живых организмов аморально и может вызвать нежелательные социальные и этические последствия. В 1975 году эти проблемы обсуждались на международной конференции в Асиломаре (США). Её участники пришли к заключению о необходимости продолжения использования методов генетической инженерии, но при обязательном соблюдении определённых правил и рекомендаций. Впоследствии эти правила, установленные в ряде стран, были существенно смягчены и свелись к приёмам, обычным в микробиологических исследованиях, созданию специальных защитных устройств, препятствующих распространению биологических агентов в окружающей среде, использованию безопасных векторов и реципиентных клеток, не размножающихся в природных условиях.

Часто под генетической инженерией понимают только работу с рекДНК, а как синонимы генетической инженерии используются термины «молекулярное клонирование», «клонирование ДНК», «клонирование генов». Однако все эти понятия отражают содержание лишь отдельных генно-инженерных операций и поэтому не эквивалентны термину «генетическая инженерия». В России как синоним генетической инженерии широко используется термин «генная инженерия». Однако смысловое содержание этих терминов различно: генетическая инженерия ставит целью создание организмов с новой генетической программой, в то время как термин «генная инженерия» поясняет, как это делается - путём манипуляции с генами.

Лит.: Щелкунов С. Н. Клонирование генов. Новосиб., 1986; он же. Генетическая инженерия. 2-е изд., Новосиб., 2004; Уотсон Дж., Туз Дж., Курц Д. Рекомбинантные ДНК. М., 1986; Клонирование ДНК. Методы. М., 1988; Новое в клонировании ДНК: Методы. М., 1989.

С помощью которых осуществляется направленное комбинирование генетической информации любых организмов. Генетическая инженерия (Г. и.) позволяет преодолевать природные межвидовые барьеры, препятствующие обмену генетической информацией между таксономически удалёнными видами организмов и создавать клетки и организмы с несуществующими в природе сочетаниями генов, с заданными наследуемыми свойствами.

Главным объектом генно-инженерного воздействия является носитель генетической информации - дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), молекула которой обычно состоит из двух цепей. Строгая специфичность спаривания пуриновых и пиримидиновых оснований обусловливает свойство комплементарности - взаимного соответствия нуклеотидов в двух цепях. Создание новых сочетаний генов оказалось возможным благодаря принципиальному сходству строения молекул ДНК у всех видов организмов, а фактическая универсальность генетич. кода делает возможной экспрессию чужеродных генов (проявление их функциональной активности) в любых видах клеток. Этому способствовало также накопление знаний в области химии , выявление молекулярных особенностей организации и функционирования генов (в т.ч. установление механизмов регуляции их экспрессии и возможности подчинения генов действию «чужих» регуляторных элементов), разработка методов секвенирования ДНК, открытие полимеразной цепной реакции, позволившей быстро синтезировать любой фрагмент ДНК.

Важными предпосылками для появления Г.и. явились: открытие плазмид, способных к автономной репликации и переходу из одной бактериальной клетки в другую, и явления трансдукции - переноса некоторых генов бактериофагами , что позволило сформулировать представление о векторах - молекулах-переносчиках генов.

Огромное значение в развитии методологии Г.и. сыграли ферменты, участвующие в преобразовании нуклеиновых кислот: рестриктазы (узнают в молекулах ДНК строго определенные последовательности (сайты) и «разрезают» двойную цепь в этих местах), ДНК-лигазы (ковалентно связывают отдельные фрагменты ДНК), обратная транскриптаза (синтезирует на матрице РНК комплементарную копию ДНК, или кДНК) и др. Только при их наличии создание искусств. структур стало технически выполнимой задачей. Ферменты используются для получения индивидуальных фрагментов ДНК (генов) и создания молекулярных гибридов - рекомбинантных ДНК (рекДНК) на основе ДНК плазмид и вирусов . Последние доставляют нужный ген в клетку хозяина, обеспечивая там его размножение (клонирование) и образование конечного продукта гена (его экспрессию).

Принципы создания рекомбинантных молекул ДНК

Термин «Г. и.» получил распространение после того, как в 1972 П. Бергом с сотр. впервые была получена рекомбинантная ДНК, представлявшая собой гибрид, в котором были соединены фрагменты ДНК бактерии кишечной палочки, её вируса (бактериофага λ) и ДНК обезьяньего вируса SV40. В 1973 С. Коэн с сотр. использовали плазмиду pSC101 и рестриктазу (Eco RI), которая разрывает её в одном месте таким образом, что на концах двухцепочечной молекулы ДНК образуются короткие комплементарные одноцепочечные «хвосты» (обычно 4-6 нуклеотидов). Их назвали «липкими», поскольку они могут спариваться (как бы слипаться) друг с другом. Когда такую ДНК смешивали с фрагментами чужеродной ДНК, обработанной той же рестриктазой и имеющей такие же липкие концы, получались новые гибридные плазмиды, каждая из которых содержала по крайней мере один фрагмент чужеродной ДНК, встроенной в Eco RI-сайт плазмиды. Стало очевидным, что в такие плазмиды можно встраивать фрагменты разнообразных чужеродных ДНК, полученных как из микроорганизмов, так и из высших эукариот.

Основная современная стратегия получения рекДНК сводится к следующему:

1. в ДНК плазмиды или вируса, способных размножаться независимо от хромосомы , встраивают принадлежащие др. организму фрагменты ДНК, содержащие определ. гены или искусственно полученные последовательности нуклеотидов, представляющие интерес для исследователя;
2. образующиеся при этом гибридные молекулы вводят в чувствительные прокариотические или эукариотические клетки, где они реплицируются (размножаются, амплифицируются) вместе со встроенными в них фрагментами ДНК;
3. отбирают клоны клеток в виде колоний на специальных питательных средах (или вирусов - в виде зон просветления - бляшек на слое сплошного роста клеток бактерий или культур тканей животных), содержащие нужные типы молекул рекДНК и подвергают их разностороннему структурно-функциональному изучению.

Для облегчения отбора клеток, в которых присутствует рекДНК, используют векторы, содержащие один и более маркеров. У плазмид, например, такими маркерами могут служить гены устойчивости к антибиотикам (отбор клеток, содержащих рекДНК, проводят по их способности расти в присутствии того или иного антибиотика). РекДНК, несущие нужные гены, отбирают и вводят в реципиентные клетки. С этого момента начинается молекулярное клонирование - получение копий рекДНК, а значит и копий целевых генов в её составе. Только при возможности разделения всех трансфицированных или инфицированных клеток каждый клон будет представлен отдельной колонией клеток и содержать определ. рекДНК. На заключительном этапе производится идентификация (поиск) клонов, в который заключён нужный ген. Она основывается на том, что вставка в рекДНК детерминирует какое-то уникальное свойство содержащей его клетки (напр., продукт экспрессии встроенного гена). В опытах по молекулярному клонированию соблюдаются 2 основных принципа:

• ни одна из клеток, где происходит клонирование рекДНК, не должна получить более одной плазмидной молекулы или вирусной частицы;
• последние должны быть способны к репликации.

В качестве векторных молекул в Г.и. используется широкий спектр плазмидных и вирусных ДНК. Наиболее популярны клонирующие векторы, содержащие несколько генетич. маркеров и имеющие по одному месту действия для разных рестриктаз. Таким требованием, напр., лучше всего отвечает плазмида pBR322, которая была сконструирована из исходно существующей в природе плазмиды с помощью методов, применяемых при работе с рекДНК; она содержит гены устойчивости к ампициллину и тетрациклину, содержит по одному сайту узнавания для 19 разных рестриктаз. Частным случаем клонирующих векторов являются экспрессирующие векторы, которые наряду с амплификацией обеспечивают правильную и эффективную экспрессию чужеродных генов в реципиентных клетках. В ряде случаев молекулярные векторы могут обеспечивать интеграцию чужеродной ДНК в геном клетки или вируса (их называют интегративными векторами).

Одна из важнейших задач Г.и. - создание штаммов бактерий или дрожжей, линий клеток тканей животных или растений, а также трансгенных растений и животных (см. Трансгенные организмы), которые обеспечивали бы эффективную экспрессию клонируемых в них генов. Высокий уровень продукции белков достигается в том случае, если гены клонируются в многокопийных векторах, т.к. при этом целевой ген будет находиться в клетке в большом количестве. Важно, чтобы кодирующая последовательность ДНК находилась под контролем промотора, который эффективно узнаётся РНК-полимеразой клетки, а образующаяся мРНК была бы относительно стабильной и эффективно транслировалась. Кроме того, чужеродный белок, синтезируемый в реципиентных клетках, не должен подвергаться быстрой деградации внутриклеточными протеазами. При создании трансгенных животных и растений часто добиваются тканеспецифичной экспрессии вводимых целевых генов.

Поскольку генетич. код универсален, возможность экспрессии гена определяется лишь наличием в его составе сигналов инициации и терминации транскрипции и трансляции, правильно узнаваемых хозяйской клеткой. Т.к. большинство генов высших эукариот имеет прерывистую экзон-интронную структуру, в результате транскрипции таких генов образуется матричная РНК-предшественник (пре-мРНК), из которой при последующем сплайсинге выщепляются некодирующие последовательности - интроны, и образуется зрелая мРНК. Такие гены не могут экспрессироваться в клетках бактерий, где отсутствует система сплайсинга. Для того чтобы преодолеть это препятствие на молекулах зрелой мРНК с помощью обратной транскриптазы синтезируют ДНК-копию (кДНК), к которой с помощью ДНК-полимеразы достраивается вторая цепь. Такие фрагменты ДНК, соответствующие кодирующей последовательности генов (уже не разделённой интронами), можно встраивать в подходящий молекулярный вектор.

Зная аминокислотную последовательность целевого полипептида, можно синтезировать кодирующую его нуклеотидную последовательность, получив т.н. ген-эквивалент, и встроить его в соответствующий экспрессирующий вектор. При создании гена-эквивалента обычно учитывают свойство вырожденности генетич. кода (20 аминокислот кодируются 61 кодоном) и частоту встречаемости кодонов для каждой аминокислоты в тех клетках, в которые планируется вводить этот ген, т.к. состав кодонов может существенно отличаться у разных организмов. Правильно подобранные кодоны могут значительно повысить продукцию целевого белка в реципиентной клетке.

Значение генетической инженерии

Г.и. значительно расширила экспериментальные границы , поскольку позволила вводить в разл. типы клеток чужеродную ДНК и исследовать её функции. Это позволило выявлять общебиологич. закономерности организации и выражения генетич. информации в разл. организмах. Данный подход открыл перспективы создания принципиально новых микробиологич. продуцентов биологически активных веществ. а также животных и растений, несущих функционально активные чужеродные гены. Мн. ранее недоступные биологически активные белки человека, в т.ч. интерфероны, интерлейкины, пептидные гормоны, факторы крови стали нарабатываться в больших количествах в клетках бактерий, дрожжей или млекопитающих, и широко использоваться в медицине. Более того, появилась возможность искусственно создавать гены, кодирующие химерные полипептиды, обладающие свойствами двух или более природных белков. Все это дало мощный импульс к развитию биотехнологии .

Глвными объектами Г.и. являются бактерии Escherichia coli (кишечная палочка) и Bacillus subtilis (сенная палочка), пекарские дрожжи Saccharomices cerevisiae , разл. линии клеток млекопитающих. Спектр объектов генно-инженерного воздействия постоянно расширяется. Интенсивно развиваются направления исследований по созданию трансгенных растений и животных. Методами Г.и. создаются новейшие поколения вакцин против различных инфекционных агентов (первая из них была создана на основе дрожжей, продуцирующих поверхностный белок вируса гепатита В человека). Большое внимание уделяется разработке клонирующих векторов на основе вирусов мле-копитающих и использованию их для создания живых поливалентных вакцин для нужд ветеринарии и медицины, а также в качестве молекулярных векторов для генной терапии раковых опухолей и наследственных заболеваний. Разработан метод прямого введения в организм человека и животных рекДНК, направляющих продукцию в их клетках антигенов разл. инфекционных агентов (ДНК-вакцинация). Новейшим направлением Г.и. является создание съедобных вакцин на основе трансгенных растений, таких как томаты, морковь, картофель, кукуруза, салат и др., продуцирующих иммуногенные белки возбудителей инфекций.

Опасения, связанные с проведением генно-инженерно экспериментов

Вскоре после первых успешных экспериментов по получению рекДНК группа учёных во главе с П. Бергом предложила ограничить проведение ряда генно-инженерных опытов. Эти опасения основывались на том, что свойства организмов, содержащих чужую генетич. информацию, трудно предсказать. Они могут приобрести нежелательные признаки, нарушить экологич. равновесие, привести к возникновению и распространению необычных заболеваний человека, животных, растений. Кроме того отмечалось, что вмешательство человека в генетич. аппарат живых организмов аморально и может вызвать нежелательные социальные и этические последствия. В 1975 эти проблемы обсуждались на междунар. конференции в Асиломаре (США). Её участники пришли к заключению о необходимости продолжения использования методов Г.и. но при обязательном соблюдении определ. правил и рекомендаций. Впоследствии эти правила, установленные в ряде стран, были существенно смягчены и свелись к приёмам обычным в микробиологич. исследованиях, созданию спец. защитных устройств, препятствующих распространению биологич. агентов в окружающей среде, использованию безопасных векторов и реципиентных клеток, не размножающихся в природных условиях.

Часто под Г.и. понимают только работу с рекДНК, а как синонимы Г.и. используются термины «Молекулярное клонирование», «Клонирование ДНК», «Клонирование генов». Однако все эти понятия отражают содержание лишь отдельных генно-инженерных операций и поэтому не эквивалентны термину Г.и. В России как синоним Г.и. широко используется термин «генная инженерия». Однако смысловое содержание этих терминов различно: Г.и. ставит целью создание организмов с новой генетич. программой, в то время как термин «генная инженерия» поясняет как это делается, т.е. путём манипуляции с генами.

Литература

Щелкунов С.Н. Клонирование генов. Новосибирск, 1986; Уотсон Дж ., Туз Дж ., Курц Д. Рекомбинантные ДНК: Краткий курс. М., 1986; Клонирование ДНК. Методы М., 1988; Новое в клонировании ДНК: Методы М., 1989. Щелкунов С.Н. Генетическая инженерия. 2-е изд., Новосибирск, 2004.

Генная инженерия является совокупностью способов, приемов и технологий выделения из клеток или организма генов, получения рекомбинантных РНК и ДНК, осуществления различных манипуляций с генами, а также введения их и в другие организмы. Эта дисциплина способствует получению желаемых характеристик изменяемого организма.

Наукой в широком смысле генная инженерия не является, однако считается биотехнологическим инструментом. В ней применяются исследования таких наук, как генетика, молекулярная микробиология.

Созданные методы генной инженерии, связанные с управлением наследственностью, явились одним из самых ярких событий в развитии науки.

Ученые, молекулярные биологи, биохимики научились изменять, модифицировать гены и создавать абсолютно новые, сочетая гены от разных организмов. Также они научились и синтезировать материал в соответствии с заданными схемами. Искусственный материал ученые начали вводить в организмы, заставляя их работать. На всей этой работе основывается генная инженерия.

Однако существует некоторая ограниченность «биологического материала». Данную проблему ученые пытаются решить при помощи и Специалисты отмечают, что этот путь достаточно перспективен. В течение последних нескольких десятилетий учеными были созданы приемы, при помощи которых определенные клетки из растительных или можно заставить развиваться и размножаться независимо, отдельно от организма.

Достижения генной инженерии имеют большое значение. применяются в экспериментах, а также при промышленном производстве определенных веществ, которые невозможно получить при использовании бактериальных культур. Однако и в этой области имеют место трудности. Так, например, проблемой является отсутствие способности у клеток животных делиться такое же бесконечное количество раз, как

В ходе экспериментов были сделаны фундаментальные открытия. Так, впервые был выведен «химически чистый», изолированный ген. Впоследствии ученые открыли ферменты лигазы и рестриктазы. При помощи последних стало возможно разрезать ген на кусочки - нуклеотиды. А при помощи лигаз можно наоборот соединять, «склеивать» эти кусочки, но уже в новой комбинации, создавая, конструируя иной ген.

Значительных успехов добились ученые и в процессе «чтения» биологической информации. На протяжении многих лет расшифровкой заложенных в генах данных занимались У. Гилберт и Ф. Сенгер, американский и английский ученые.

Специалисты отмечают, что генная инженерия за весь период своего существования не оказала негативного воздействия на самих исследователей, не причинила вреда человеку и не принесла ущерба природе. Ученые отмечают, что достигнутые результаты как в процессе изучения функционирования механизмов, обеспечивающих жизнедеятельность организмов, так и в прикладной отрасли являются весьма внушительными. При этом перспективы представляются поистине фантастичными.

Несмотря на большое значение генетики и генной инженерии в сельском хозяйстве и медицине, главные ее результаты еще не достигнуты.

Перед учеными стоит достаточно много задач. Следует определить не только функции и назначение каждого гена, но и условия, при которых происходит его активация, в какие именно периоды жизни, под воздействием каких факторов, в каких именно участках организма он включается и провоцирует синтез соответствующего белка. Кроме того, немаловажно выяснить роль этого белка в жизни организма, какие реакции он запускает, выходит ли за клеточные пределы, какую несет информацию. Достаточно сложной является проблема сворачивания белков. Решение этих и многих других задач осуществляется учеными в рамках генной инженерии.

Сложно найти в современном мире человека, который ничего не слышал бы об успехах генной инженерии.

Сегодня она является одним из наиболее перспективных путей развития биотехнологий, совершенствования сельскохозяйственного производства, медицины и ряда других отраслей.

Что такое генная инженерия?

Как известно, наследственные признаки любого живого существа записаны в каждой клетке организма в виде совокупности генов – элементов сложных белковых молекул . Вводя в геном живого существа чужеродный ген, можно изменить свойства получаемого организма, причём в нужную сторону: сделать сельскохозяйственную культуру более устойчивой к морозу и болезням, придать растению новые свойства и т.д.

Организмы, полученные в результате такой переделки, называются генно-модифицированными, или трансгенными, а научная дисциплина, занимающаяся исследованием модификаций и разработкой трансгенных технологий – генетической или генной инженерией.

Объекты генной инженерии

Наиболее часто объектами для исследования генной инженерии становятся микроорганизмы, клетки растений и низших животных, однако ведутся исследования и на клетках млекопитающих, и даже на клетках человеческого организма. Как правило, непосредственным объектом исследования является молекула ДНК, очищенная от прочих клеточных веществ. При помощи энзимов ДНК расщепляется на отдельные отрезки, причём важно уметь распознавать и выделять нужный отрезок, переносить его при помощи энзимов и встраивать в структуру другой ДНК.

Современные методики уже позволяют достаточно свободно манипулировать отрезками генома, размножать нужный участок наследственной цепи и вставлять его на место другого нуклеотида в ДНК реципиента. Накоплен достаточно большой опыт и собрана немалая информация по закономерностям строения наследственных механизмов. Как правило, преобразованиям подвергаются сельскохозяйственные растения, что уже позволило существенно повысить результативность основных продовольственных культур.

Для чего нужна генная инженерия?

К середине ХХ века традиционные методы перестали устраивать учёных, так как это направление обладает рядом серьёзных ограничений:

• невозможно скрещивать неродственные виды живых существ;
• процесс рекомбинации генетических признаков остаётся неуправляемым, и необходимые качества у потомства появляются в результате случайных комбинаций, при этом очень большой процент потомства признаётся неудачным и отбрасывается в ходе селекции;
• точно задать нужные качества при скрещивании невозможно;
• селекционный процесс занимает годы и даже десятилетия.

Естественный механизм сохранения наследственных признаков является чрезвычайно стойким, и даже появление потомства с нужными качествами не даёт гарантии сохранения этих признаков в последующих поколениях.

Генная инженерия позволяет преодолеть все вышеперечисленные затруднения. С помощью трансгенных технологий можно создавать организмы с заданными свойствами, заменяя отдельные участки генома другими, взятыми у живых существ, принадлежащих к другим видам. При этом сроки создания новых организмов существенно сокращаются. Необязательно закреплять нужные признаки, делая их наследуемыми, так как всегда есть возможность генетически модифицировать следующие партии, поставив процесс буквально на поток.

Этапы создания трансгенного организма

1. Выделение изолированного гена с нужными свойствами. Сегодня для этого существуют достаточно надёжные технологии, есть даже специально подготовленные библиотеки генов.
2. Ввод гена в вектор для переноса. Для этого создаётся специальная конструкция – трансген, с одним или несколькими отрезками ДНК и регуляторными элементами, который встраивается в геном вектора и подвергается клонированию при помощи лигаз и рестриктаз. В качестве вектора обычно используются кольцеобразные бактериальные ДНК – плазмиды.
3. Встраивание вектора в организм реципиента. Этот процесс скопирован с аналогичного природного процесса встраивания ДНК вируса или бактерии в клетки носителя и действует таким же образом.
4. Молекулярное клонирование. При этом клетка, подвергшаяся модификации, успешно делится, производя множество новых дочерних клеток, которые содержат изменённый геном и синтезируют белковые молекулы с заданными свойствами.
5. Отбор ГМО. Последний этап ничем не отличается от обычной селекционной работы.

Безопасна ли генная инженерия?

Вопрос, насколько безопасны трансгенные технологии, периодически поднимается как в научной среде, так и в СМИ, далёких от науки. Однозначного ответа на него нет до сих пор.

Во-первых, генная инженерия остаётся ещё достаточно новым направлением биотехнологий, и статистика, позволяющая делать объективные выводы об этой проблеме, пока что не успела накопиться.

Во-вторых, огромные вложения в генную инженерию со стороны транснациональных корпораций, занимающихся производством продуктов питания, могут служить дополнительной причиной отсутствия серьёзных исследований.

Впрочем, в законодательствах многих стран появились нормы, обязывающие производителей указывать наличие продуктов из ГМО на упаковке товаров пищевой группы. В любом случае, генная инженерия уже продемонстрировала высокую результативность своих технологий, а её дальнейшее развитие обещает людям ещё больше успехов и достижений.