Генна інженерія

Генна інженерія виникає В70-і рр.. як нова галузь молекулярної біології, головна завдання якої - активна й цілеспрямована перебудова генрв живих істот, їх конструювання, тобто управління спадковістю.

Генна інженерія - розділ молекулярної генетики, пов'язаний з целеноправленним створенням in vitro нових комбінацій геннетіческого матеріалу, здатного розмножуватися в клітці-господаря і синтезувати кінцеві продукти обміну. Виникла в 1972 році, коли в лабораторії П. Берга (Станфордський університет, США) була отримана перший рекомбінантний (гібридна) ДНК (рекДНК), в якій були соеденіни фрагменти ДНК фага лямбда і кишкової палички з кільцевої ДНКобезьярьего вірусу SV40.

Kлючевое значення при конструюванні рекДНК in vitro мають фрагменти-рестріктази, розсікати молекулу ДНК на фрагменти за строго певних місцях, і ДНК-лігази, зшиваючі фрагменти ДНК в єдине ціле. Тільки після виділення таких фрагментів створення штучних генетичних стуктур стало технічно здійсненне завдання. Рекомбінантних молекул ДНК має форму кільця, вона містить ген (гени), що становить об'єкт генетичних маніпуляцій, і так званий вектор-фрагмент ДНК, що забезпечує розмноження річок ДНК і синтез кінцевих продуктів діяльності генетичної системи-білків. Останнє відбувається вже в клітці-господаря, куди вводиться річок ДНК. Гени, підлягають клонування, можуть бути отримані в складі фрагментів шляхом механічного або рестріктазного дроблення тотальної ДНК. Але структурні гени, як правило, доводитися або синтезувати хіміко-біологічним шляхом, або одержувати у вигляді ДНК-копії інформаційних РНК, відповідних вибраного гену. Структурні гени містять тільки кодовану запис кінцевого продукту (білка, РНК), повністю позбавлені регуляторних ділянок і тому нездатні, функціонувати ні в клітці-господаря, ні in vitro. Функціональні властивості рекДНК надає вектор, в якому присутні ділянки початок реплікації (забезпечує розмноження рекДНК), генетичні маркери, необхідні для селекції, регуляторні дільниці, обов'язкові для траксріпціі і трансляції генів. Велика частина векторів отримана з плазмід кишкової палички та інших бактерій. Використовуючи також вектори на основі фага лямбда, вірусів SV40 і поліоми, дріжджів, Agrobacterium tumefaciens та інші.

При отриманні рекДНК утворюється частіше всього кілька структур, з яких тільки один є потрібною. Тому обов'язковий етап становить селекція і молекулярне клонування рекДНК, введеної шляхом трансформації в клітину-господаря. Найбільш часто як клітини-господаря використовують кишкову паличку, однак застосовують і інші бактерії, а так само дріжджі (Saccharomyces cerevisiae), тваринні і рослинні клітини. Система вектор-господар

Не може бути довільною: вектор підганяється до клітини-господаря, його вибір залежати від видовий специфічності і цілей дослідники. Існує три шляхи селекції рекДНК: генетичний (за маркерами, за допомогою виборчих середовищ), імунохімічної і гібрідізаціонний з міченими ДНК і РНК. РекДНК характеризують фізичним картуванням (розщеплення рекстріктазамі і електрофорез фрагментів в гелі) і аналізом первинної структури. У результаті інтенсивного розвитку методів генної інженерії отримані клони багатьох генів рибосомальної, транспортної та 5S PHK, гістонів, глобіну миші, кролика, людини, колагену, овальбуміна, інсуліну людини, а зовсім недавнє відкриття-расшіровка геному человка, зроблена січні двохтисячного року, позволет в недалекому майбутньому клонувати человека.На основі генної інженерії виникла галузь фармацевтичної промисловості, звана "індустрією ДНК" і що представляє собою одну із сучасних гілок біотехнології. Допущений для лікувального застосування інсулін людини (хумулін) , отриманий за засобом рекомбінантних ДНК. Генна інженерія за короткий термін справила величезний вплив на розвиток різних молекулярно-генетичних методів і дозволила істотно просунутися на шляху пізнання будови і функціонування геннетіческого аппарата.В основі ж генної інженерії закладені знання про властивості організмів, які передаються в спадщину-це так звана геннетіческая інформація.

Генетична інформація.

Генетична інформація записана послідовністю нуклеотидів молекул нуклеїнових кислот (ДНК, у деяких вірусів також РНК). Містить відомості про будову всіх (близько 10 000) ферментів, структурних білків і РНК клітини, а також про регулювання їх синтезу. Інфоромація про властивості організму, яка передається у спадщину. Генетична інформація записана послідовністю нуклеотидів молекул нуклеїнових кислот (ДНК, у деяких вірусів також РНК). Містить відомості про будову всіх (близько 10 000) ферментів, структурних білків і РНК клітини, а також про регулювання їх синтезу. Зчитують генетичну інформацію різні ферментні комплекси клітини. Один з таких комплексів - апарат трансляції, складається з більш ніж 200 різних макромолекул (навіть у такого порівняно простого організму, як кишкова паличка). Генетичні інформація, яка зчитується в процесі трансляції, складається зі значень кодонів генетичного коду і включає знаки початок і закінчення білкового синтезу. Інші складові генетичної інформації зчитуються апаратами реплікації, транскрипції, а також апаратами інших процесів, що оперують молекулами, нуклеїнових кислот (таких, як репорація, рестрікація, модефікація, рекомендація, сеграція) і різними регуляторними білками. У багатоклітинних організмів при статевому розмноженні генетична інформація передається з покоління в покоління за посередництвом статевих клітин у прокаріотічних мікроорганізмів ірмеются особливі типи передачі генетічекой інформації -- трансдукція, тансформація.

Отже, володіючи генетичною інформацією можна побудувати карти хромосом з нанесенням на них порядку розташування генів, що успішно здійснив Томас Гент Морган (1866-1945) тчательно вивчивши явище зчеплення і перехреста, що відбувається між гомологічними хромосомами і здійснює рекомбінацію генів.

Генетична карта.

Генетична карта хромосоми - схема взаємного розташування генів, що знаходяться в одній групі зчеплення. Для сотавленія генетичних карт хромосом необхідно виявлення безліч мутантних генів і проведення численних схрещувань. Відстань між генами на генетичній карті хромосом визначають за чистотою Кросинговер між ними. Одиницею відстані генетичної карти хромосом мейотіческі діляться клітин є морганіда, соотвеьсвующая одному відсотку Кросинговер. Для побудови генетичної карти хромосоми еукаріотів (найбільш детальна гентіческіе карти сотавленни для дрозофіли, у якої вивчено більше тисячі мутантних генів, а також для кукурудзи, яка має в десяти груп зчеплення з вище чотирьохсот генів) використовують меотіческій і мітотичний Кросинговер. Порівняння генетичних карт хромосом, побудованих різними методами в одного й того ж виду, виявляє однаковий порядок розташування генів, хоча расстоуніе між конкретними генами на мейотіческіх і мітотичних генетичних картах хромосом можуть відрізнятися. У нормі генетичні карти хромосом у еукаріотів лінійні, проте, наприклад, при побудові генетичних карт хромосом у гетерозигот по транслакаціі виходить генетична карта хромосом у вигляді хреста. Це вказує на те, що форма карт відображає характер кон'югації хромосом. У бактерій і вірусів генетичні карти хромосом також будують за допомогою рекомбінації. При картуванні генів у бактерій за допомогою кон'югації виходить кільцева генетична карта хромосоми. Значення генетичних карт дозволяє планувати роботу з одержання організмів з певними сполученнями ознак, що використовується в генетичних експериментах селекційній практиці. Порівняння генетичних карт хромосом різних видів сприяє еволюціоонному процесу. На основі ж генетичних карт проводять генетичний аналіз.

Генетичний аналіз.

Генетичний аналіз - це сукупність методів досліджень спадкових властивостей організму (його генотипу), оскільки аналіз елементів генотипу (груп зчеплення, генів і внутрігенних структур) здійснюється, як правило, опосередковано, через ознаки, геннетіческій аналіз є по суті аналізом ознак, контрольованих тими чи іншими елементами генотипу. Залежно від завдання і особливостей досліджуваного об'єкта генетичний аналіз проводять на популяційному, організменном, клітинному і молекулярному рівнях.

До основних методів геннетіческого аналізу відносяться:

Селекційний метод, за допомогою якого здійснюють підбір або створення вихідного матеріалу, що піддається подальшого аналізу (наприклад,. Г. Мендель, який по суті є основоположником генетичного аналізу, починав свою роботу з отримання константних-гомозиготних-форм гороху шляхом самозапилення);

Гібрідологіческій метод, що являє собою систему спеціальних схрещувань та обліків їх результатів;

Цітогенетічедскій метод, що полягає в цитологічному аналізі генетичних структур і явищ на основі гібрідологіческого аналізу з метою зіставлення генетичних явищ зі структурою і поведінкою хромосом і їх ділянок (аналіз хромосомних і геномних мутацій, побудова цитологічних карт хромосом, цитохимические вивчення активності генів). Окремий випадок цітогенетічского методу - геномної аналіз. На основі популяційного методу вивчають генетичну структуру популяцій різних організмів: кількісно оцінюють розподіл особин різних генотипів в популяції, аналізують динаміку генетичної структури популяцій під дією різних факторів (при цьому використовують створення модельних популяцій).

Молекулярно-генетичний метод являє собою біохімічне та фізико-хімічне вивчення структури й функції генетичного матеріалу і направлений на з'ясування етапів шляху «ген -- ознака »і механізмів взаємодії різних молекул на цьому шляху.

мутаційний метод дозволяє (на основі всебічного аналізу мутації) встановити особливості, закономірності та механізми мутагенезу допомагає у вивченні структури і функції генів. Особливе значення мутаційний метод набуває при роботі з організмами, розмножуються безстатевим шляхом і у генетиці людини, де можливості гібрідологіческого аналізу вкрай ускладнені.

Блізнецовий метод, що полягає в аналізі і порівнянні мінливості ознак в межах різних груп близнюків, дозволяє оцінити відносну роль генотипу і зовнішніх умов спостерігається мінливості. Осібність важливий еттот метод при роботі з малоплодовітимі організмами, що мають пізній термін настання статевої зрілості (наприклад, велика рогата худоба), а так само в генетиці людини. У генетичному аналізі використовують і багато інших методів (онтогенетичний, Імуногенетичний, математичний і так далі), що дозволяють комплексно вивчати генетичний матеріал.

Генетичний аналіз є вихідним і необхідним етапом на шляху до генетичному синтезу (отримання організмів із заданими властивостями), у тому числі методами генетичної інженерії.

Вже у 80-их рр.. геная інжененерія могла дати в необмеженій кількості гормони та інші білки людини, необхідні дла лікування генетичних хвороб (наприклад, інсулін, гормон росту та інші). Найбільше ж відкриття, зроблене вченими в 2000 році - розшифровка генома людини, позволело клонувати не тільки органи, а й людину.

Список літератури

Біологічний енциклопедичний словник

Москва, «Радянська енциклопедія» - 1989 р.; головний редактор М.С. Гіляров

Девіс Р., Ботстайн Д., Рот Дж., методи генетичної інженерії. Генетика бактерій, пер. с анг., М., 1984; Маніатіст Т., Фрич Е., Сембурк Дж., Методи генетичної інженерії. Молекулярне клонування, пров. с анг., М., 1984; ПірузіянЕ. С., Андріанов В. М., Плазміди агробактерій ігенетіческая інженерія рослин, 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.).

Енциклопедичний словник юного біолога Москва, «Педагогіка» -1986 р.; укладач М. Е. Аспіз