БИОЛОГИЯ Том 3 - руководство по общей биологии - 2004

25. ПРИКЛАДНАЯ ГЕНЕТИКА

Во второй половине XX столетия биология вступила в свой «Золотой век». За время, прошедшее от открытия структуры ДНК в 1953 г. до появившейся не так давно возможности расшифровать генетический код человека, на стыке генетики и молекулярной биологии сформировалась новая могущественная отрасль науки — биотехнология. Ее значение отражает хотя бы тот факт, что в США именно на биотехнологию расходуется почти половина средств, выделяемых на академические исследования. Биотехнология находит применение в промышленности, медицине, сельском хозяйстве и многих других областях. Ее достижения могут быть направлены на благо людей, но могут принести человечеству и неисчислимые беды. С той же проблемой в первой половине XX века столкнулись физики, когда с открытием строения атома появилась возможность использовать ядерную энергию как в мирных, так и в разрушительных целях. Фрэнсис Крик и Морис Уилкинс, которые вместе с Джеймсом Уотсоном получили Нобелевскую премию за расшифровку структуры ДНК, были физиками, и до того как занялись биологией, работали над созданием оружия. Накопленный опыт заставил этих ученых очень внимательно относиться к этическим аспектам своих исследований. Вот почему, когда в конце 70-х гг. появились сомнения в этичности и безопасности генной инженерии, Крик и Уилкинс приостановили свою работу. Вы — будущие биологи и тоже когда-нибудь будете нести ответственность за решения, принятые в ходе обсуждения новых спорных вопросов, которые непременно будут возникать по мере углубления наших познаний в области молекулярной генетики. Чем большей информацией мы владеем, вырабатывая собственную точку зрения, и чем больше людей готово обсуждать эти проблемы, тем с большей вероятностью принятые нами решения окажутся правильными.

Генная инженерия

В первой части этой главы речь будет идти о генной инженерии. Это самый мощный метод, имеющийся в арсенале прикладной генетики и биотехнологии. С его помощью можно изучать и изменять генетические инструкции, закодированные в хромосомах растений и животных. Люди получили возможность модифицировать на пользу себе другие организмы и (в перспективе) лечить наследственные болезни (генная терапия). Главные вехи в развитии генной инженерии представлены в табл. 25.1.

Таблица 25.1. Главные вехи в развитии генной инженерии. (По The encyclopaedia of molecular biology, ed. J. Kendrew, 1994, Blackwell Science.)

1960-е-1970-е

Выделены и впервые использованы для анализа структуры ДНК рестрикционные ферменты (рестриктазы)

1972-1973

Разработаны методы клонирования, включающие получение рекомбинантных ДНК. Клонирован первый ген (бактериальный)

1974

Впервые осуществлена экспрессия чужеродного гена в бактериальной клетке

1977

Впервые прочитан генетический код организма (нуклеотидная последовательность полного генома). Этим организмом был бактериофаг фХ174, длина его генома составляет 5375 п.н.

1978

Получен соматостатин человека с помощью бактерий, несущих искусственный ген. Позднее в том же году в бактериях с искусственного гена был синтезирован инсулин человека

1982

В Великобритании и США одобрено использование генноинженерного инсулина (Humulin фирмы Eli Lilly)

1981/1982

Получены первые трансгенные животные (мыши)

1983

Получены первые трансгенные растения

1985

Получены первые трансгенные сельскохозяйственные животные (кролики, свиньи и овцы)

1986

Впервые осуществлен контролируемый перенос в окружающую среду организмов, модифицированных методами генной инженерии

1989

Впервые запатентовано трансгенное животное — онкомышь

1990

Начаты работы по проекту «Геном человека». Впервые в США успешно применена генная терапия муковисцидоза и тяжелого комбинированного иммунодефицита (разд. 25.7.11)

1990-1992

Получены первые трансгенные зерновые культуры (кукуруза и пшеница)

1992

В США и Европейском Союзе введены правила, регулирующие использование генетически модифицированных организмов (ГМО). Прочитана полная нуклеотидная последовательность хромосомы (хромосома 111 дрожжей)

1993

В Великобритании стали использовать генную терапию муковисцидоза и тяжелого комбинированного иммунодефицита

1994

На рынок США поступили трансгенные томаты

1996

На рынок Великобритании поступили трансгенные томаты.

1997

Осуществлено клонирование животного из одиночной клетки. Овца Долли выращена из отдельной клетки вымени

25.1. Генная инженерия бактерий

Основные методы генной инженерии были разработаны в начале 70-х гг. Суть этих методов — введение в организм нового гена. Такой ген может быть синтезирован заново, а может быть перенесен из другого организма. Если в геном бактерии встроить ген, кодирующий какой-либо белок, бактериальная клетка превращается в живую фабрику по производству этого белка. В качестве примера рассмотрим перенос в клетку бактерии генов, кодирующих инсулин человека, гормон роста человека и бычий соматотропин (БСТ) (разд. 25.2.1-25.2.3).

25.1.1. Обзор

Получить копию любого гена в настоящее время — задача совсем нетрудная. В некоторых случаях для этого требуется всего одна исходная копия. Получение множества идентичных копий называют клонированием. В качестве клонирующего вектора (т. е. переносчика ДНК, которую нужно клонировать) традиционно используют плазмиды или бактериофаги. Плазмиды — это небольшие кольцевые фрагменты ДНК, обнаруженные в некоторых бактериях. Они отделены от основной (хромосомной) ДНК, и могут реплицироваться независимо от нее (разд. 2.3.1). Бактериофаги (или, для краткости, фаги) — это вирусы, которые могут вводить свою ДНК в бактериальную клетку, где эта ДНК реплицируется (рис. 2.19). Фрагменты ДНК, которые необходимо клонировать, соединяют либо с плазмидной, либо с фаговой ДНК. Полученная «конструкция», состоящая из ДНК-фрагментов различных организмов, называется рекомбинантной ДНК. Если такую ДНК ввести в бактериальную клетку, то с каждым циклом деления увеличивается и число копий рекомбинантной ДНК. Встроенный в бактериальный геном чужеродный ген может использоваться для получения в промышленных количествах полезного белка, например такого, как инсулин человека, который в норме не производится бактериальной клеткой.

Процесс клонирования схематически изображен на рис. 25.1 и более детально описывается ниже. Встраивание новых генов в эмбрионы растений и животных с целью создания так называемых трансгенных организмов (организмов, которые могут передавать эти гены потомству) является более трудной задачей. Эта тема будет обсуждаться в разд. 25.3—25.5.

Генную инженерию бактерий можно подразделить на пять этапов.

Этап 1. Выделение копии нужного гена из всех остальных генов организма.

Этап 2. Встраивание нужного гена в вектор.

Этап 3. Использование вектора для введения нужного гена в реципиентную клетку.

Этап 4. Отбор клеток, в которые вошла чужеродная ДНК (донорная ДНК).

Этап 5. Клонирование гена.

Приведенная выше очередность этапов — самая простая. Однако в некоторых случаях порядок действий может быть иным; например, в вектор может быть встроена и клонирована целая группа (или библиотека) генов и лишь затем выделен нужный ген.