Основы генной инженерии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Основы генной инженерии

Цель прикладной генетической инженерии

Генная инженерия позволяет путем операций в пробирке переносить генетическую информацию из одного организма в другой. Перенос генов дает возможность преодолевать межвидовые барьеры и передавать отдельные наследственные признаки одних организмов другим.

Цель прикладной генетической инженерии заключается в конструировании таких рекомбинантных молекул ДНК, которые при внедрении в генетический аппарат придавали бы организму свойства, полезные для человека.

Задачи генной инженерии

1. Получение изолированного гена.

2. Введение гена в вектор для переноса в организм.

3. Перенос вектора с геном в модифицируемый организм.

4. Преобразование клеток организма.

5. Отбор генетически модифицированных организмов (ГМО) и устранение тех, которые не были успешно модифицированы.

Генная инженерия

Генная инженерия - это раздел молекулярной генетики, связанный с целенаправленным созданием новых комбинаций генетического материала. Основа генетической инженерии - теория гена. Созданный генетический материал способен размножаться и синтезировать конечные продукты обмена. Так же область биотехнологий, включающая в себя действия по перестройке генотипов. Уже сегодня генная инженерия позволяет включать и выключать отдельные гены, контролируя таким образом деятельность организмов, а также -- переносить генетические инструкции из одного организма в другой, в том числе - организмы другого вида. По мере того, как генетики всё больше узнают о работе генов и белков, всё более реальной становится возможность произвольным образом программировать генотип (прежде всего, человеческий), с лёгкостью достигая любых результатов: таких, как устойчивость к радиации, способность жить под водой, способность к регенерации повреждённых органов и даже бессмертие.

История генной инженерии

Генетическая инженерия возникла в 1972 году, в Станфордском университете, в США. Тогда лаборатория П. Берга получила первую рекомбинатную (гибридную) ДНК или (рекДНК). Она соединяла в себе фрагменты ДНК фага лямбда, кишечной палочки и обезьяньего вируса SV40.

Строение рекомбинантной ДНК

Гибридная ДНК имеет вид кольца. Она содержит ген (или гены) и вектор. Вектор - это фрагмент ДНК, обеспечивающий размножение гибридной ДНК и синтез конечных продуктов деятельности генетической системы - белков. Большая часть векторов получена на основе фага лямбда, из плазмид, вирусов SV40, полиомы, дрожжей и др. бактерий. Синтез белков происходит клетке-хозяине. Наиболее часто в качестве клетки- хозяина используют кишечную палочку, однако применяют и др. бактерии, дрожжи, животные или растительные клетки. Система вектор-хозяин не может быть произвольной: вектор подгоняется к клетке-хозяину. Выбор вектора зависит от видовой специфичности и целей исследования. Ключевое значение в конструировании гибридной ДНК несут два фермента. Первый - рестриктаза - рассекает молекулу ДНК на фрагменты по строго определенным местам. И второй - ДНК-лигазы - сшивают фрагменты ДНК в единое целое. Только после выделения таких ферментов создание искусственных генетических структур стало технически выполнимой задачей.

Генная инженерия применительно к человеку

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. Задача изменения генома взрослого человека несколько сложнее, чем выведение новых генноинженерных пород животных, поскольку в данном случае требуется изменить геном многочисленных клеток уже сформировавшегося организма, а не одной лишь яйцеклетки-зародыша. Для этого предлагается использовать вирусные частицы в качестве вектора. Вирусные частицы способны проникать в значительный процент клеток взрослого человека, встраивая в них свою наследственную информацию; возможно контролируемое размножение вирусных частиц в организме. При этом для уменьшения побочных эффектов учёные стараются избегать внедрения генноинженерных ДНК в клетки половых органов, тем самым избегая воздействия на будущих потомков пациента. Также стоит отметить значительную критику этой технологии в СМИ: разработка генноинженерных вирусов воспринимается многими как угроза для всего человечества.

С помощью генотерапии в будущем возможно изменение генома человека. В настоящее время эффективные методы изменения генома человека находятся на стадии разработки и испытаний на приматах. Долгое время генетическая инженерия обезьян сталкивалась с серьёзными трудностями, однако в 2009 году эксперименты увенчались успехом: в журнале Nature появилась публикация об успешном применении генноинженерных вирусных векторов для исцеления взрослого самца обезьяны от дальтонизма. В этом же году дал потомство первый генетически модифицированный примат (выращенный из модифицированной яйцеклетки) -- игрунка обыкновенная. Хотя и в небольшом масштабе, генная инженерия уже используется для того, чтобы дать шанс забеременеть женщинам с некоторыми разновидностями бесплодия. Для этого используют яйцеклетки здоровой женщины. Ребёнок в результате наследует генотип от одного отца и двух матерей. Однако возможность внесения более значительных изменений в геном человека сталкивается с рядом серьёзных этических проблем.

Проект "Геном человека"

В 1990 году в США был начат проект "Геном человека", целью которого было определить весь генетический код человека. Проект, в котором важную роль сыграли и российские генетики, был завершён в 2003 году. В результате проекта 99% генома было определено с точностью 99,99% (1 ошибка на 10000 нуклеотидов). Завершение проекта уже принесло практические результаты, например, простые в применении тесты, позволяющие определять генетическую предрасположенность ко многим наследственным заболеваниям.

Высказаны, например, надежды, что, благодаря расшифровке генома, уже к 2006 году будут разработаны препараты для лечения такого опасного заболевания, как СПИД, к 2009 году будут определены гены, которые связаны со злокачественными новообразованиями, а к 2010-2015 году будут установлены механизмы возникновения почти всех видов рака. К 2020 году может быть завершена разработка препаратов, предотвращающих рак.

Генная инженерия находит широкое практическое применение в отраслях народного хозяйства, таких как микробиологическая промышленность, фармакологическая промышленность, пищевая промышленность и сельское хозяйство.

Одним из наиболее значимых отраслей в генной инженерии является производство лекарственных препаратов. Современные технологии производства различных лекарств позволяют излечивать тяжелейшие заболевания, или хотя бы замедлять их развитие.

С помощью генной инженерии исследователи из Университета Пенсильвании представили новый метод производства вакцин: с помощью генетически сконструированных грибов. В результате был ускорен процесс производства вакцин, что может, по мнению пенсильванцев, пригодиться в случае биотеррористической атаки или вспышки птичьего гриппа.

Применение в научных исследованиях

— Искусственная экспрессия. Логичным дополнением нокаута является искусственная экспрессия, то есть добавление в организм гена, которого у него ранее не было. Этот способ генной инженерии также можно использовать для исследования функции генов. В сущности процесс введения дополнительных генов таков же, как и при нокауте, но существующие гены не замещаются и не повреждаются.

— Визуализация продуктов генов. Используется, когда задачей является изучение локализации продукта гена. Одним из способов мечения является замещение нормального гена на слитый с репортёрным элементом, например, с геном зелёного флуоресцентного белка

— Исследование механизма экспрессии. В таких экспериментах задачей является изучение условий экспрессии гена. Особенности экспрессии зависят прежде всего от небольшого участка ДНК, расположенного перед кодирующей областью, который называется промотор и служит для связывания факторов транскрипции*. Этот участок вводят в организм, поставив после него вместо собственного гена репортерный, например, GFP** или фермента, катализирующего легко обнаруживаемую реакцию.

Возможности генной инженерии

— Генная инженерия позволяет путем операций в пробирке переносить генетическую информацию из одного организма в другой. Перенос генов дает возможность преодолевать межвидовые барьеры и передавать отдельные наследственные признаки одних организмов другим.

— С помощью генной инженерии создаются препараты второго поколения, т.е. аналоги природных веществ, обладающих большей эффективностью действия.

Таблица. Главные вехи в развитии генной инженерии

Казахстанские ученные достигшие больших результатов в генной инженерии.

Неоценимый вклад в развитие селекции пород домашних животных внес академик HAH РК, профессор Ф. М. Мухамедгалиев. Он изучал вопросы адаптации и микроэволюции животных, имеющие ключевое значение в создании новых типов животных, приспособленных к экстремальным условиям, а также трансплантации зигот в племенном овцеводстве. В Научноэкспериментальном центре по биотехнологии и воспроизводству животных им. Ф. М. Мухамедгалиева разработаны методы селекции зигот и эмбрионов, повышающие их выживаемость при трансплантации, методы криоконсервации (замораживания) гамет и эмбрионов. Фундаментальные исследования позволили создать на основе отдаленной межвидовой гибридизации новую породу овец казахский архаромеринос и свиней семиреченскую, адаптированных к условиям Казахстана.

Существенный вклад в развитие селекции растений был сделан академиком HAH РК, профессором В. П. Кузьминым, который развил ряд теоретических и методических основ селекции и семеноводства зерновых, масличных и других культур в Северном Казахстане. Профессор Н. Л. Удолъская обосновала теоретически новый взгляд на засухоустойчивость растений. Она является автором четырех районированных сортов пшеницы и серии моногамных линий по сорту Казахстанская126. Большой вклад в развитие селекции зерновых растений был сделан Р. А. Уразалиевым. Им выведены десятки высокоурожайных сортов озимой пшеницы.

Благодаря работам казахстанских селекционеров Казахстан сравнительно легко пережил все перемены в сельском хозяйстве, вызванные развалом СССР. И хотя площадь посевов сократилась в 2 раза, Казахстан продолжал и продолжает производить, как и прежде, около 1516 млн т зерна в год. Этого удалось добиться, благодаря внедрению новых сортов пшеницы, урожайность которых в 2 раза выше.

Трансгеноз

Трансгенез -- это процесс введения чужеродного гена, называемого трансгеном, в живой организм. При этом организм получает свойства, которые он может передавать потомству. Трансгенные организмы могут экспрессировать чужеродные гены, так как генетический код одинаков для всех живых организмов. Это означает, что последовательность ДНК будет кодировать одинаковую аминокислотную последовательность во всех организмах. Животные или растения, в которых произведены изменения геномов путем парасексуальных операций называюттрансгенными, а методология, использующая трансгенных животных, называется трансгеноз. В самом общем виде трансгеноз может быть определен как перенос генов из одного организма в другой путем операций invitro. Три критические точки в трансгенозе: интеграция трансгена, его экспрессия и трансмиссия, т.е.перенос через половые клетки потомству.

Значение трансгенеза

С помощью трансгеноза становиться понятно, как на уровне всего организма работают промоторы, энхансеры, механизм действия транскрипционных факторов, роль метилирования ДНК. Широко применяется в области иммунологии, и в области эмбриогенеза, и в области развития нервной системы, и в области механизмов кроветворения и ангиогенеза и в исследовании факторов, определяющих рост и дифференцировку мультипотентных стволовых клеток и, наконец, в области канцерогенеза.

Применение трансгенных животных

Трансгенные животные являются удобным объектом для анализа роли отдельных элементов гена в регуляции его работы. Так, сопоставление характера экспрессии введенного гена у животных, различающихся по длине фланкирующих последовательностей инъецированной ДНК, дает возможность обнаружить элементы гена, контролирующие его работу в разных типах тканей.

Для облегчения анализа регуляторных последовательностей гена часто вводят генетические конструкции, сочетающие эти элементы с геном- репортером, экспрессия которого выражается в появлении известной и легко определяемой ферментативной активности.

Заключение

Важной составной частью биотехнологии является генетическая инженерия. Родившись в начале 70-х годов, она добилась сегодня больших успехов. 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. Генетическая инженерия служит для получения желаемых качеств изменяемого или генетически модифицированного организма. Примерами применения генной инженерии являются получение производство человеческого инсулина путём использования генномодифицированных бактерий, производство эритропоэтина в культуре клеток или новых пород экспериментальных мышей для научных исследований. При помощи генной инженерии можно получать потомков с улучшенной внешностью, умственными и физическими способностями, характером и поведением. С помощью генотерапии в будущем возможно улучшение генома и ныне живущих людей. В принципе можно создавать и более серьёзные изменения, но на пути подобных преобразований человечеству необходимо решить множество этических проблем.

Литература

генный инженерия трансгенез

1. Биологический энциклопедический словарь, М., 1989; Сельскохозяйственный энциклопедический словарь, М., 1989;

2. В.Н. Рыбчин 2009, Основы генетической инженерии;

3. Щелкунов С. Н. Генетическая инженерия. Ч. 1. Изд-во Лотос, 2005. 304 с.

4. Попов Л. С., Языков А. А. Трансгенные животные как модели для изучения репродукции эмбрионального развития и заболеваний человека //2002.

5.Албертс Б., Брей Д., Льюис Дж. и др. Молекулярная биология. Т. 1 - 3. М.: Мир, 2004.

6. Ресурсы сети Интернет: http://ru.wikipedia.org

http://pregnancy.org.ua.

Размещено на Allbest.ru