Генная инженерия. 9

СОДЕРЖАНИЕ: 
 

Введение……………………………………………………………………..…… 3 

1. Генетика и  эволюция…………………………………………………...…. 5 

2. Генная инженерия.  Научно-исследовательские аспекты………………  9 

3. Генная инженерия.  Практические результаты………………………… 12 

Заключение……………………………………………………………………… 14 

Литература…………………………………………………………………...…. 15 

Приложение………………………………………………………………..…… 16 

ВВЕДЕНИЕ: 
 

Генетика вначале  была использована для борьбы против дар-винизма. Устойчивость генов трактовалась как их неизменность. Мутационная  изменчивость отождествлялась непосредственно с видообразованием и, как казалось, как будто отменяла есте-ственный отбор в качестве главного фактора эволюции. Но уже к концу 20-х годов XX в, становилось все яснее, что генетика раскрывает конкретный механизм изменчивости, соотношение свойств организма и характера внешних воздействий в возник-новении индивидуальных изменений. 

Основатель мутационной  теории Гуго де Фриз считал, что каждая мутация ведет к возникновению  нового вида и сводил эволюцию к  простому накоплению мутаций. На самом деле мутации лишь поддерживают наследственную неоднородность популяций и других эволюционных групп. Но это необходи-мое, но еще недостаточное условие эволюционного процесса. Необходимы также необратимые изменения среды -- как абио-тические по своему происхождению изменения климата, го-рообразование и т.п.), так и биогенные, порожденные самой жизнью, к которым присоединились антропогенные, обуслов-ленные человеческой деятельностью. 

Важную роль в объединении генетики и эволюционной тео-рии, в разработке генетики популяций, сыграли С.С. Четве-риков, Н.П. Дубинин и другие русские ученые. В 40-50-е годы XX в. И.И. Шмальгаузен, опираясь на достижения гене-тики, конкретизировал учение о естественном отборе, выде-лив две его формы: стабилизирующий отбор и ведущий отбор. 

Генетика -- наука  о наследственности, способах передачи признаков от родителей к детям, о механизмах индивидуаль-ной изменчивости организмов и способах управления ею.  

Ис-ходные законы наследственности были открыты чешским  уче-ным Грегором Менделем в 1865 г. и переоткрыты независимо от него Гуго де Фризом в Голландии, Карлом Корренсом в Германии и Эрихом Чермаком в Австрии. Они и есть основа-тели генетики. Вторым крупнейшим этапом в истории генети-ки явилось обоснование Г. Морганом хромосомной теории на-следственности, согласно которой основную роль в передаче наследственной информации играют хромосомы клеточного ядра. 

Важнейшим в  генетике является понятие «ген». Ген  внача-ле представляли чисто формально, вроде счетной единицы. Потом установили, что ген -- участок цепочки ДНК и он сам имеет сложную структуру. Число возможных различ-ных сочетаний четырех органических оснований по длине це-почки ДНК составляет гигантскую величину 410 000, которая пре-вышает число атомов в Солнечной системе. На основе такого разнообразия действительно может возникнуть практически бес-конечное число наследственных изменений, обеспечивающих эволюцию и разнообразие органического мира. Наследствен-ность обеспечивает преемственность живого на Земле, а из-менчивость -- многообразие форм жизни. И то, и другое свя-заны неразрывно. 

Генетика различает  основные формы изменчивости; генотипическую, передаваемую по наследству, и фенотипическую, не передаваемую по наследству. Наиболее ярко наследствен-ная изменчивость проявляется в мутациях -- перестройках на-следственного основания, генотипа организма. Крупная мута-ция всегда выражается в форме более или менее резкого на-следственного морфофизиологического уклонения единствен-ной особи среди многих других, остающихся неизменными. Но в большинстве случаев мутации имеют вид небольших ук-лонений. 

Важно понять, что  мутации сами по себе не являются при-способительными  изменениями, непосредственно направлен-ными на выживание организмов в данных определенных усло-виях. Они возникают случайно, хотя и под воздействием внут-ренней и внешней среды, т.е. не беспричинно. Они зависят от условий среды и могут быть получены специальным воздей-ствием ионизирующей радиации, химических реагентов и т.п.  

Но экспериментально получаемые мутации тоже не носят ха-рактера адаптивных изменений. Адаптации, приспособления создаются лишь в результате отбора. 

Сначала под  генотипом понимали систему всех генов, вхо-дящих в состав клеток, сейчас объем этого понятия сужен  до совокупности хромосомных ДНК организма, а совокупность всех генов называют геномом. 

Под генотипом  следует понимать только наследственную структуру организма. Понятие же фенотипа обозначает сово-купность доступных  наблюдений индивидуальных признаков  особи. Один из создателей современной генетики академик Н.П. Дубинин сравнивает соотношение генотипа и фенотипа с соотношением сущности и явления, подчеркивая большую ус-тойчивость генотипа и подвижность, текучесть фенотипа. Фе-нотип является результатом взаимодействия генотипа и среды, поэтому он может быть сложнее и многообразнее генотипа. 

Индивидуальное  развитие живого организма от зарождения до смерти осуществляется под влиянием как генетических про-грамм и  подпрограмм, так и внешних условий. Из-за этого одинаковая генетическая основа (генотип) не всегда приводит к формированию организмов с одинаковым фенотипом, оди-наковым набором свойств. У организма складываются такие признаки, которые облегчают его существование именно в дан-ных конкретных условиях. Удачные приспособительные изме-нения (смена сезонной окраски, усиление или ослабление теп-лого шерстного покрова и т.п.) регулируются естественным отбором, обеспечивая выживание организмов с генотипами, способными оптимально реагировать на изменение внешней среды. 
 

1. ГЕНЕТИКА И  ЭВОЛЮЦИЯ. 
 

Понять сущность эволюционных процессов помогает генетика -- наука о наследственности, изменчивости организмов и методах управления ими. 

Ген является элементарной единицей наследственности. Задачами генетики являются: 

изучение структуры  единиц наследственности (генов); 

анализ механизма  функционирования генов; 

реализация генетической информации (в частности, для увеличения производительности животноводства и  сельхоз-структур); 

анализ функционирования генов на разных этапах разви-тия  организма. 

Таким образом, генетика изучает два фундаментальных свой-ства живых систем - наследственность и изменчивость. 

На сегодня  известно, что гены и хромосомы (генотип -- со-вокупность наследственных структур) определяют фенотип -совокупность всех признаков организма, который является ре-зультатом взаимодействия генотипа и окружающей Среды (пи-тание., температура, радиация и др.). 

Перестройку гена называют мутацией.  

Новый организм, но-ситель мутации -- мутант, а факторы, вызывающие эти измене-ния, -- мутагены. 

Наиболее сильное влияние из факторов окружающей Среды (в сотни раз сильнее других) оказывают радиоактивные элемен-ты, а количество мутаций пропорционально дозе облучения, что доказал американский генетик К. Миллер, работавший с луча-ми Рентгена1. 

В познании закономерностей наследственности существен-ную роль сыграл чешский исследователь Г. Мендель (1822 -18 84), сформулировавший законы наследственности. Доказано, что признаки организмов определяются дискретными наследствен-ными факторами. 

Хромосома любого организма содержит длинную непрерыв-ную цепь ДНК, несущую множество генов. 

__________________________________________________________________ 

1 В. Рентген  (1845--1923), немецкий физик. 
 

Установлены принципиальные их характеристики, имеющие всеобщее и фундаментальное значение, например дискретность и линейное расположение в хромосоме. Другие определенные закономерности, например расщепление признаков в потомстве гибридов, отмечены только у диплоидных эукариотических организмов. 

Методы генетического  анализа очень разнообразны, одним из первых является гибридологический. Суть его заключается в скрещивании организмов, отличающихся друг от друга по одному или нескольким признакам, и детальном анализе потомства.  

Такие исследования позволили Г. Менделю сформулировать законы наследования. 

Первый, или закон  единообразия: 

У гибридов первого  поколения проявляются признаки только одного родителя (доминантный признак), не проявляющиеся при этом признаки Мендель назвал рецессивными.  

Второй, или закон  расщепления: 

В потомстве, полученном от скрещивания гибридов первого  поколения, наблюдается явление  расщепления; в случае полно-го доминирования  четверть особей из гибридов второго  поко-ления имеет рецессивный  признак, три четверти -- доминант-ный. 

Третий или  закон независимого комбинирования:  

Расщепление по каждой паре генов идет независимо от дру-гих пар генов. Этот закон  справедлив только в случаях независимого на-следования, когда гены, отвечающие за эти признаки, располо-жены в разных парах гомологичных хромосом. 

Понятие наследования признака употребляют обычно как  образное выражение, так как наследуется  лишь ген, отвечаю-щий за этот признак. Признаки формируются в ходе индивиду-ального  развития организма и обусловливаются  генотипом и влиянием внешней  среды. 

Законы генетики носят статистический характер, так как при образовании зиготы сочетание генов имеет случайный харак-тер, а ожидаемый результат скрещивания будет выполняться тем точнее, чем больше число потомков. 

Признаки организма (способы их описания с целью разли-чия) можно разделить на две группы -- качественные и коли-чественные.  

Качественными называют признаки, устанавлива-емые описательным (биологическим) путем (окраска, форма, масть, половые различия). Наследование качественных призна-ков происходит по законам Менделя. 

Изменчивость (разнообразие) в целом носит не только каче-ственный, но и количественный характер, который  определяет-ся измерением (яйценоскость, масса семян...), Большинство при-знаков, важных при разведении животных и  выращивании рас-тений, носит количественный характер. 

Живые организмы  постоянно испытывают воздействие  раз-нообразных факторов Среды обитания. Среда может влиять на формирование как количественных, так и качественных при-знаков. Среда приводит к естественному  отбору как фактору эволюции в результате борьбы за существование. Он основыва-ется на преимущественном выживании наиболее приспособлен-ных особей каждого вида и гибели менее приспособленных. Под борьбой за существование понимают внутривидовую и межви-довую конкуренцию, отношения хищник-жертва, взаимодей-ствие с абиотическими факторами Среды и т. д. Однако наряду с конкуренцией существует и взаимопомощь у особей в преде-лах вида. 

В процессе эволюции происходит направленное изменение  фенотипа и генотипа вследствие размножения организмов. При-способленность к определенным условиям Среды не означает прекращения естественного отбора в популяций. Существует форма отбора, которая постоянно исключает уклоняющихся от нормы особей, -- так называемый стабилизирующий отбор. 

К середине XX века эволюционная теория Дарвина была дополнена следующими положениями: отрицание наследования приобретенных признаков; доказательство постепенности эво-люционного процесса; осознание эволюции как процесса, про-текающего на популяционном уровне; подтверждение фунда-ментальной роли естественного отбора; выявление механизмов наследственной изменчивости и оценка ее вклада в эволюцион-ный процесс; установление эволюционных закономерностей -- онтогенеза (индивидуального развития организма). 

Как резюмировал Вернадский, "Живой, динамический про-цесс бытия, науки, связывающий прошлое с настоящим, сти-хийно отражается в среде обитания человечества, является все растущей геологической силой, превращающей биосферу в но-осферу. Это природный процесс, независимый от историчес-ких случайностей"'2. 

_________________________________________________________________ 

2Вернадский  В.И. "Биосфера и ноосфера" -- М: 1988. 
 

Законы эволюции требуют дальнейшего изучения, но суще-ствуют современные гипотезы, подкрепленные фактами палеонтологии, биогеографии, сравнительной эмбриологии и био-химии. 

Рассматривая  эволюцию на молекулярном уровне, можно  сказать, что направленная эволюция обусловливает развитие по-пуляции  молекул в определенном направлении, благодаря цик-лам селекции, амплификации и мутаций.  

Молекулярный  био-лог может читать гены какого-либо организма как историчес-кий документ, свидетельствующий о его эволюции, но написан-ный химическим языком (структура  молекулы ДНК). В настоя-щее время  исследуется и сам механизм, производящий эволю-ционные изменения. Разработанные математические модели эво-люции позволяют выявить общие закономерности эволюции раз-личных систем. Они опираются на теорию информации и само-организации. 

Современные данные палеонтологии говорят о квантовом характере видообразования. В соответствии с геологическим временем этот процесс почти мгновенен. Анализ уравнений популяционной генетики показывает, что процесс видообразова-ния похож на фазовый переход. 

Биология как  наука о жизни 

2. ГЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ.  

НАУЧНО - ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЕ  АСПЕКТЫ. 
 

Генная инженерия -- экспериментальная наука. Возникла на стыке молекулярной биологии и  генетики официально в 1972 г., когда в  лаборатории П. Берга (Стенфордский университет, США) была получена первая рекомбинантная (гибридная) ДНК на базе объединения генетического материала, полный геном вируса обезьян 40, часть генома измерного бактериофага и гены галактозного оперона.  

Генная инженерия  нацелена на создание орга-низмов с  новыми комбинациями наследственных свойств пу-тем конструирования функционально-активных генетических структур в форме рекомбинантных ДНК из фрагментов гено-мов разных организмов, которые вводились в клетку. 

Как отмечалось, впервые рекомбинантную ДНК получи-ла группа П. Берга в 1972 г. 

В 1973-74 гг. С. Коэном, Д. Хелинским, Г. Бойером и други-ми учеными впервые сконструированы функционально актив-ные молекулы гибридной ДНК, то есть удалось их клонирова-ние. Были созданы первые, не существующие в Природе, плазмиды (стабилизатор наследства) на базе ДНК из разных видов бактерий и высших организмов, из ДНК лягушки (кодирующей синтез рРНК), морского ежа (контролирующей синтез белков-гистон), и от мыши. 

Вскоре аналогичная  работа была выполнена в нашей  стра-не группой специалистов под  руководством С. И. Алиханяна и А. А. Баева. 

Достижения генетики и химии нуклеиновых кислот позво-лили разработать методологию генной инженерии: 

--открытие явления  рестрикции -- модификации ДНК и  выделение ферментов рестриктаз  для получения специфи-ческих  ферментов; 

--создание методов  химического и ферментативного  синте-за генов; 

--выявление векторных  молекул ДНК, способных перенес-ти  в клетку чужеродную ДНК и  обеспечить там экспрессию со-ответствующих  генов; 

-- разработка  методов трансформации у различных  организ-мов и отбор клонов, несущих рекомбинантные ДНК. 

Составляющие  методики. 

Явление рестрикции -- модификации ДНК впервые наблю-дали Г. Бертани и Д. Ж. Вейгль, а его суть раскрыл В. Арберг: в бактериях действуют специальные ферменты, способные спе-цифично распознать "свою" (бактериальную) ДНК от "чужой" (фаговой). Эти ферменты ограничивают возможность размно-жения фаговой ДНК в бактериях путем ее специфичной (в за-висимости от типа фермента) деградации. Такие ферменты были названы эндонуклеазами рестрикции няирестриктазами. 

В 1971 г. группой  Г. Смитга была выделена первая рестриктаза, специфично расщепляющая двухцепочную ДНК в строго определенных сайтах. Вскоре было установлено, что болынинство видов бактерий обладает специфичными системами рест-рикции -- модификации. 

В генной инженерии  используют ферменты, разрывающие двухцепочную ДНК в зоне участка узнавания  или на незначи-тельном фиксированном расстоянии от него. Фермент распоз-нает специфичную последовательность и разрезает ее. В пос-леднем случае образуются выступающие одноцепочечные кон-цы, получившие название "липких". В настоящее время извест-но несколько сотен таких рестриктаз, что обеспечивает возмож-ность получения различных фрагментов ДНК, содержащих же-лаемые гены. 

Работы в направлении  синтеза гена начались еще до 1972 г. 

Так в 1969 г. появились  публикации по выделению генов при  помощи физических и генетических методов. 

На начальном этапе развития генной инженерии широко ис-пользовался способ получения генов из природных источников, и он до сих пор применяется для создания банка генов. 

В том же году группой Корани впервые осуществлен  хими-ческий синтез расшифрованного  гена аланиновой тРНК дрож-жей, но функционально не активный; позднее и активный ген супрессорный тирозиновой тРНК, галактозного оперона. 

Этому способствовало совершенствование методов опреде-ления  первичных структур (секвенирования) нуклеиновых кис-лот, а также белков и других продуктов, кодируемых синтези-рованным геном. 

Секвенирование  ДНК играет большую роль и в  изучении функций генов и генетических систем. 

Метод химического  синтеза генов и введения их в  клетки микроорганизмов обеспечил  возможность получения продуцен-тов инсулина человека для лечения больных диабетом, открыл-ся путь для производства продуктов белковой природы. 

Широкое распространение  нашел метод ферментативного  синтеза генов по механизму обратной транскрипции. Не вдава-ясь в его  суть, отметим, что он позволяет синтезировать практи-чески любой ген в присутствии соответствующих иРНК, мето-ды выделения которых достаточно хорошо разработаны. 

С его помощью  созданы и клонированы в бактериях  гены, кодирующие глобины человека, животных, птиц и т. п., интер-ферон человека, который используют для борьбы с вирусными инфекциями, злокачественными опухолями и рядом других за-болеваний. 

Однако остается нерешенной проблема стабильности гиб-ридных молекул. Вектор должен обеспечивать стабильное на-следование рекомбинантных ДНК в автономном, реже интег-рированном с хромосомой состоянии, иметь генетические мар-керы для обнаружения трансформированных клеток, содержать сайт узнавания и др. Он используется для получения банка ге-нов, так как клонированные в них большие фрагменты ДНК лег-ко хранить, выделять и анализировать. Создаются специальные векторы и для клонирования рекомбинантных ДНК в клетках животных и растений, при этом в клетках животных ими могут быть некоторые вирусы, а растений -- агробактерии на основе специальных плазмид и передаваться клеткам в естественных условиях бактериями. 

Схема, используемая в генной инженерии, едина: 
 

1. Обработка  кольцевой векторной молекулы  рестриктазой с образованием  линейной формы ДНК. 

2. Формирование  гибридной структуры путем слияния ее с фрагментом чужеродной ДНК. 

3. Введение гибрида  в клетку реципиента. 

4. Отбор клонов  трансформированных клеток на  селектив-ных средах. 

5. Доказательство  присутствия рекомбинантной ДНК  в этих клонах путем ее выделения  из клеток, обработки соответству-ющими рестриктазами и анализа образовавшихся фрагментов методом электрофореза. 

Известно несколько  методов объединения фрагментов ДНК из разных источников, позволяющих  включить клонируемую донорную ДНК  в состав вектора. 

Одним из перспективных методов клеточной инженерии в культуре клеток человека, животного и растения является гиб-ридизация соматических клеток (Б. Эфрусси и Г. Барски). 

В культивируемые клетки млекопитающих или развивающи-еся  эмбрионы ДНК вводят методом микроинъекции  ДНК в ядро с помощью микроманипулятора. 

Развитие методов  микрохирургии клеток позволило  заменять ядра оплодотворенных яйцеклеток на ядра из соматических кле-ток и  в результате получать организм, идентичный тому, чье ядро было перенесено в  яйцеклетку. 

Создание гибридов высших растений возможно путем слия-ния протопластов и соматической гибридизации растительных клеток. 

Все эти методы могут использоваться для конструирования  новых форм микроорганизмов, животных и растений, несу-щих гены, детерминирующие  желаемые признаки. 

Не менее важна  генная инженерия как аппарат  фундамен-тальных исследований. 

Потенциальные возможности генной инженерии в  действи-тельности очень велики, и они будут реализовываться. 

3. ГЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ.  ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ. 
 

Эмбриогенез -- это феноменальный процесс, при котором информация, заложенная в линейной структуре ДНК, реализу-ется в трехмерный организм.  

ДНК представляет запись после-довательности аминокислот  для построения молекул различных  белков. В эмбриональном развитии в разное время появляются разные белки. Существуют гены-регуляторы, которые опреде-ляют время и скорость синтеза. Установлены состав и структу-ра гена, но неизвестно как кодируется форма организма и, соот-ветственно, как линейные спирали цепочной структуры белков соединяются в объемные структуры. 

Клонирование  есть воспроизведение живого существа из его неполовых клеток. Это попытка  прорыва сквозь запреты При-роды. 

Клонирование  органов и тканей -- это задача номер один в области трансплантологии, травматологии и др. областях меди-цины и биологии.  

При пересадке  клонированных органов не возникает  реакции отторжения и возможных  последствий (например, рака, развивающегося на фоне иммунодефицита). Кло-нированные органы -- это спасение для людей, попавших в авто-мобильные аварии или иные катастрофы, а также нуждающихся в радикальной помощи из-за каких-либо заболеваний. 

Клонирование  может дать возможность бездетным  людям иметь своих собственных  детей, поможет людям, страдающим тяжелыми генетическими заболеваниями. Так, если гены, оп-ределяющие какую-либо подобную болезнь, содержатся в хро-мосомах отца, то в яйцеклетку матери пересаживается ядро ее собственной соматической клетки, тогда появится ребенок, ли-шенный опасных генов, точная копия матери. Если эти гены со-держатся в хромосомах матери, то в ее яйцеклетку будет пере-мещено ядро соматической клетки отца -- появится здоровый ребенок, копия отца. 

Более скромная, но не менее важная задача клонирования -- регуляция пола сельскохозяйственных животных, а также кло-нирование в них человеческих генов "терапевтических белков", которые используются для лечения людей, например гемофи-ликов, у которых мутировал ген, кодирующий белок, участвую-щий в процессе свертывания крови. Это тем более важно, по-скольку гемофилики считаются "группой риска" по СПИДу. 

Бум, связанный  с рождением овечки Долли, это  всего лишь эпизод развитии клонирования. Когда она подрастет и обзаве-дется  своим потомством, в ее молоке будет  и человеческий бе-лок, отличающийся от овечьего. Она станет на службу челове-честву. 

Американские  ученые несколько модифицировали метод  шотландцев, использовав ядра эмбриональных (зародышевых) фибробластов -- взятых у  взрослого организма клеток. Это  об-легчило задачу введения "чужого" гена, поскольку в культуре фибробластов это делать значительно легче и дешевле.  

А, кроме того, так был обойден теломерасный (теломерас -- бессмер-тие гена) запрет и смягчен запрет на клонирование (не распро-страняется на животных, отдельные  органы и ткани, а клониро-вание  людей отодвигается на 10 лет). 

Это сулит уникальные перспективы для человечества, несмотря на все высказанные политическими, религиозными, научными и общественными  деятелями морально-этические и  чисто биологические возражения по использованию клонирования.