Молекула

in vitro

рекомби-

нантной ДНК, состоящей из фрагментов разных

молекул ДНК: вирусной, бактериальной и фаговой.

Работа была выполнена американским ученым По-

лом Бергом с сотрудниками и ознаменовала рожде-

ние новой отрасли молекулярной биологии — гене-

тической (генной) инженерии.

Генетическая, или генная, инженерия, по его

определению, — это конструирование

in vitro

функ-

ционально активных генетических структур (ре-

комбинантных ДНК), или, иначе, — создание

искусственных генетических программ. Генная ин-

женерия имеет целью изучение интимных механиз-

мов функционирования генетического аппарата эу-

кариот, включая человека, что другими приемами

сделать невозможно. Вместе с тем, генная инжене-

рия ставит перед собой обширные практические за-

дачи, немало из которых уже решено. Прежде все-

го это получение путем бактериального синтеза

ряда лекарственных средств, например инсулина,

интерферонов. Важнейшим достижением является

создание диагностических препаратов, в частности,

для выявления такого опасного заболевания, как

СПИД. Получение так называемых трансгенных

растений открывает принципиально новые воз-

можности для растениеводства в создании сельско-

хозяйственных культур, устойчивых к экстремаль-

ным воздействиям и инфекционным поражениям.

Это далеко не полный перечень практических свер-

шений генной инженерии.

После первых успешных экспериментов с ре-

комбинацией молекул ДНК в пробирке появились

первые сомнения и опасения, не принесет ли ген-

ная инженерия вред природе и человечеству. В июле

1974 года несколько крупных ученых обратились к

научной общественности с предложением нало-

жить мораторий на работы с рекомбинантными

ДНК

in vitro.

В феврале 1975 года в Калифорнии на

Асиломарской конференции собрались 140 ученых

разных стран, работающих в области генной

инженерии. Всесторонне изучив результаты и

возможные последствия, ученые пришли к вы-

воду, что потенциальные опасности невелики,

так как рекомбинантные штаммы в природных

условиях нежизнеспособны и их бесконтрольное

распространение маловероятно. Было решено пре-

рвать мораторий и продолжить исследования с

соблюдением специально разработанных правил.

Сегодня мы можем отметить, что почти за четверть

века своего существования генная инженерия не

причинила никакого вреда самим исследователям,

не принесла ущерба ни природе, ни человеку. Свер-

шения генной инженерии как в познании механиз-

мов функционирования организмов, так и в при-

кладном плане весьма внушительны, а перспективы

поистине фантастичны.

Основы генетической инженерии

Молекулярная биология заявила о себе в качест-

ве самостоятельной науки в 1953 году, когда Джеймс

Уотсон и Френсис Крик открыли знаменитую двой-

ную спираль ДНК

и постулировали матричный ме-

ханизм ее синтеза.

В соответствии с этим механизмом двойная спи-

раль ДНК при репликации

разделяется и каждая

цепь служит матрицей для синтеза дочерней цепи,

которая по своей первичной структуре является

зеркальным отражением матрицы. В результате та-

кого матричного синтеза образуются две совершен-

но идентичные двуспиральные молекулы ДНК,

каждая из которых передается в дочерние клетки.

Последние получают всю генетическую программу

от родительской клетки. По такому же матричному

механизму осуществляется синтез РНК, только

РНК синтезируется в виде односпиральной цепи,

которая комплементарна ДНК-матрице. Этот про-

цесс получил название транскрипции.

А процесс

синтеза белка на РНК-матрице (мРНК) происходит

на рибосомах, и структура белка соответствует

структуре мРНК. Это очень сложный процесс, он

называется трансляцией, и в нем участвует транс-

портная РНК (тРНК). Она доставляет в рибосому

аминокислоты и адаптирует язык мРНК к языку

белка. Таким образом, процесс матричного синтеза

ДНК определяет передачу наследственной инфор-

мации от родительской клетки в дочернюю. В про-

цессе матричного синтеза РНК происходит переда-

ча информации (генетического кода данного белка)

от ДНК на мРНК, а мРНК переносит информацию

на рибосому, где она реализуется в виде конкретной

структуры белка.

При половом процессе может происходить обмен

участками между двумя хромосомами

(молекулами

ДНК) от двух скрещиваемых индивидуумов. Этот

процесс получил название рекомбинации,

и в клетке

чаще всего он может происходить только между го-

мологичными хромосомами, так как комплементар-

ные по своей структуре молекулы ДНК притягива-

ются друг к другу и обмениваются генетическими

детерминантами, в результате чего образуется дочер-

няя хромосома, содержащая элементы структуры от

двух родительских хромосом. Открытый недавно

процесс негомологичной рекомбинации осуществ-

ляется только в том случае, если в одной из взаимо-

действующих молекул ДНК есть гены, кодирующие

специальные ферменты разрезания ДНК.

Следующее важное открытие, предопределившее

возникновение генной инженерии, — обнаружение

в бактериальных клетках внехромосомных малень-

ких кольцевых молекул ДНК. Эти минихромосомы

впервые были обнаружены в начале 50-х годов и по-

лучили название плазмид

Плазмиды обладают

способностью к автономной от хромосомы реплика-

ции, поэтому плазмиды содержатся в клетке в виде

нескольких копий. Различаются плазмиды по

генетическим детерминантам. Очень важно, что

плазмиды из-за своих малых размеров могут быть

выделены из клетки в неповрежденном, нативном

состоянии.

В 1970 году американцы Келли и Смит с сотруд-

никами выделили первую рестриктазу — фермент,

который вызывает гидролиз ДНК в строго опреде-

ленных местах с образованием так называемых лип-

ких концов, о чем подробнее будет рассказано в

третьем разделе. Существование таких ферментов-

рестриктаз было доказано в опытах швейцарцев

Линна и Арбера в конце 60-х годов. В настоящее

время описано множество таких ферментов, кото-

рые применяются в генной инженерии.

Таким образом, к началу 70-х годов были сфор-

мулированы основные принципы функционирова-

ния нуклеиновых кислот и белков в живом организ-

ме и созданы теоретические предпосылки генной

инженерии (схема 1).

Схема 1.

Теоретические предпосылки генной инже-

нерии

Молекулярные механизмы матрич-

ного синтеза:

ДНК

Репликация

ДНК

РНК

Транскрипция

мРНК

бело

Трансляция

Обмен генами у гомологичных хро-

мосом при половом процессе

Рекомбинация

Кольцевые двуспиральные малые

молекулы ДНК, автономно размно-

жающиеся в бактериальной клетке и

несущие маркерный ген

Плазмиды

Ферменты, способные расщеплять

ДНК в строго определенном месте с образованием липких концов у образуемых фрагментов Рестриктазы__

Отличие генетической инженерии от классической селекции

Для того чтобы это понять, перечислим ограни-

чения, с которыми сталкиваются селекционеры при

получении новых пород животных, сортов растений

или активных рас практически ценных микроорга-

низмов:

1) нельзя скрещивать неродственные виды;

2) нельзя извне управлять процессом рекомби-

нации в организме;

3) нельзя предугадать, какое получится потомство.

Известно, что в природе скрещиваются между

собой только близкородственные организмы, так

как существуют специальные клеточные барьеры

скрещивания клеток. Кроме того, процесс реком-

бинации заключается во взаимодействии между

гомологичными, то есть близкими по своей молеку-

лярной структуре, хромосомами. Постоянство сво-

его генетического состава организм очень надежно

охраняет. Даже самая богатая фантазия не может во-

образить, каких монстров породила бы природа, ес-

ли бы не охраняла чистоту вида, препятствуя скре-

щиванию неродственных форм.

Генетическая рекомбинация в организме —

очень сложный процесс, которым управлять извне

невозможно. Это обстоятельство делает путь к по-

лучению новой породы или расы очень тернистым,

долгим, а подчас и невозможным.

Результаты скрещивания невозможно предска-

зать заранее. Как хочется, чтобы ребенок был таким

же очаровательным, как мама, сильным и добрым,

как папа, умным, как дедушка, и веселым, как ба-

бушка. Но процесс рекомбинации – статистичес-

кий, и нам не дано стопроцентно предугадать, ка-

кие признаки родителей унаследует потомство, и

результат бывает иногда прямо противоположным

ожидаемому.

Молекулярная биология вооружила ученых по-

ниманием законов передачи от родителей потомст-

ву наследственной информации. Стали понятными

причины ограничений классической селекции, а

также то обстоятельство, что природные механиз-

мы, стоящие на страже чистоты и стабильности сво-

его генома, преодолеть практически невозможно.

А что если попытаться проводить рекомбина-

цию хромосом или отдельных генов вне организма

(in vitro), в пробирке? Первые удачные эксперимен-

ты такого рода сделаны в 1972 году, и вскоре был со-

здан арсенал приемов и методов, позволяющих

производить рекомбинацию генов

in vitro

затем

вводить полученную генную конструкцию в клетку,

при этом в последней синтезируются продукты вве-

денных генов.

Таким образом, суть генной инженерии состоит

в том, что процесс рекомбинации производится вне

организма

и таким образом преодолеваются все

ограничения, с которыми сталкиваются ученые, ис-

пользуя приемы классической селекции. Итак, те-

перь все стало можно: можно скрещивать отдель-__

ные гены “ужа и ежа”, можно управлять процессом,

можно предсказать результат

Генетическая селекция-в медицине

Среди многих достижений генной инженерии,

получивших применение в медицине, наиболее

значительное — получение человеческого инсулина

в промышленных масштабах.

Всем широко и печально известна такая болезнь,

как сахарный диабет, когда организм человека утра-

чивает способность вырабатывать физиологически

важный гормон — инсулин. В результате в крови на-

капливается сахар и больной может погибнуть. Ин-

сулин уже давно получают из органов животных и

используют в медицинской практике. Однако мно-

голетнее применение животного инсулина ведет к

необратимому поражению многих органов пациента

из-за иммунологических реакций, вызываемых инъ-

екцией чужеродного человеческому организму жи-

вотного инсулина. Но даже потребности в животном

инсулине до недавнего времени удовлетворялись

всего на 60 – 70%. Так, в 1979 году из 6 млн. больных

во всем мире только 4 млн. получали инсулин. Без

лечения инсулином больные умирали. А если

учесть, что среди больных диабетом немало детей,

становится понятным, что для многих стран это за-

болевание превращается в национальную трагедию.

Генные инженеры в качестве первой практичес-

кой задачи решили клонировать ген инсулина. Кло-

нированные гены человеческого инсулина были

введены с плазмидой в бактериальную клетку, где

начался синтез гормона, который природные

микробные штаммы никогда не синтезировали. На-

чиная с 1982 года фирмы США, Японии, Велико-

британии и других стран производят генно-инже-

нерный инсулин. Проблема решена. Из 1000 литров

бактериальной культуры получают приблизительно

200 г инсулина, что равно количеству, получаемому

из 1600 кг поджелудочной железы животных. Па-

раллельно была решена проблема иммунологичес-

кого поражения организмов диабетиков животным

инсулином.

Производство и продажу инсулина впервые на-

чала американская фирма Eli Lilly

.Мировой ры-

нок инсулина составляет в настоящее время более

400 млн. долларов, ежегодное потребление около

2500 кг.

Более двадцати фирм Японии и несколько

американских фирм разрабатывали другой очень

важный медицинский препарат — интерферон, ко-

торый эффективен при различных вирусных

заболеваниях и злокачественных новообразованиях.

Первым из этих соединений на рынок поступил

альфа-интерферон, затем бета-интерферон.

Еще один эффективный противораковый препа-

рат — интерлейкин — производится в Японии и

США. Интересно отметить, что сегодня американ-

ский рынок медицинских препаратов, полученных

методами генной инженерии, сравним с такими мас-

совыми лекарствами, как антибиотики. К 2000 году

стоимость продукции, выпускаемой в США на

основе генно-инженерных методов, достигнет

50 млрд. долларов в год.

Около 200 новых диагностических препаратов

уже введены в медицинскую практику, и более 100

генно-инженерных лекарственных веществ нахо-

дится на стадии клинического изучения. Среди них

лекарства, излечивающие артрозы, сердечно-сосу-

дистые заболевания, некоторые опухолевые про-

цессы и, возможно, даже СПИД. Среди нескольких

сотен генно-инженерных фирм 60% работают над

производством лекарственных и диагностических

препаратов.

Мое мнение о перспективах генной инженерии, которые просто фантастичны. На основе детального анализа воз-

можностей и реальных достижений генной инженерии

К 2013 году завершится разработка

препаратов, предотвращающих рак.

В настоящее время в ряде стран, разрабатывается международная программа “Геном человека”, которая сулит важные открытия в биологии человека, в эволюции, биологии

развития и нейробиологии. На основе генетической инженерии возникла отрасль фармацевтической промышленности. Это одно из самых современных ветвей биотехнологии.За короткий срок генетическая инженерия оказала огромное влияние на развитие молекулярно-генетических методов и позволила существенно продвинуться по пути познания строения и функционирования генетического аппарата. Сочетание возможностей генетики и клинической педиатрии позволит уже в недалеком будущем решать сложнейшие вопросы лечения и профилактики наследственных моногенных болезней. Современная медицинская и клиническая генетика представляет собой ярчайших пример единения науки и практики. Исследования, еще недавно представляющиеся сугубо теоретическими, в считанные годы получают реальный практический выход на благо здоровья настоящего и будущих поколений.

В ближайшем будущем генная терапия займет ведущее место в лечении многих болезней, считавшихся ранее неизлечимыми.

В настоящее время трансгеноз превращается в стратегическое направление исследований, дающее ответы на множество фундаментальных вопросов. Он предлагает универсальный методический подход к исследованиям отдельных стадий сложных многостадийных процессов в их взаимосвязи с остальными стадиями.

С помощью трансгеноза мы узнаем, как на уровне всего организма работают промоторы, энхансеры, механизм действия транскрипционных факторов, роль метилирования ДНК, исследуем механизмы эффекта положения. 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. 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. 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. И я думаю в скором времени эти проблемы найдут свое разрешение. У всех нас есть определенные качества, которые нам не избыть. Можем ли мы повлиять на это или нет – об этом мы узнаем, лишь попытавшись это сделать. Никогда не удастся предсказать, насколько человек способен преступить свои генетические задатки. Что же до точного поведения, то новооткрытые гены стали давать слабину. Нет и не будет найдено никаких особенных генов, отвечающих, например, за интеллект. Исследования показали, что новорожденные дети мало различаются по своему интеллекту. Все довершает воспитание, заботливое или небрежное. Дети – при своих-то врожденных способностях – чаще всего бывают именно «запущены» родителями и близкими. Или же они сами «запускают» себя, ленясь, зарывая свой талант, не развивая свои способности. Сводясь к этому родители должны тщательно прослеживать развитие своего ребенка. Проделанная работа позволяет сделать вывод о том, что на технологии рекомбинантных ДНК основано получение высокоспецифичных ДНК-зондов, с помощью которых изучают экспрессию генов в тканях, локализацию генов в хромосомах, выявляют гены, обладающие родственными функциями (например, у человека и курицы). ДНК-зонды также используются в диагностике различных заболеваний. Технология рекомбинантных ДНК сделала возможным нетрадиционный подход “белок-ген”, получивший название “обратная генетика”. Поэтому Генетическая инженерия несет огромный вклад в нашу жизнь.