Медицинский словарь
А Б В Г Д Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Э Я

Инженерия генетическая

 

Инженерия генетическая — совокупность методов молекулярной генетики, позволяющих осуществлять целенаправленное манипулирование с генетическим материалом с целью исправления наследственных дефектов, а также получения организмов с новыми, не встречающимися в природе наследственными свойствами. Изменение наследственных свойств организма с помощью инженерной генетики сводится к конструированию из различных фрагментов нуклеиновых кислот нового генетического материала (или искусственному синтезу генов), введению этого материала в организм, наследственный аппарат которого подвергается коррекции, а также созданию условий для функционирования и стабильного наследования новых признаков.

С развитием и совершенствованием методов инженерной генетики многие ученые связывают возможности повышения продуктивности сельскохозяйственных культур и животноводства, лечения наследственных болезней. Экспериментально показана возможность воздействия на наследственный аппарат клеток злокачественных опухолей, искусственно культивируемых вне организма. Предполагается также возможность использования методов инженерной генетики для лечения болезней иммунитета, устранения тканевой несовместимости и разрешения на этой основе проблемы пересадки органов и тканей и т. д. Т. о., в перспективе инженерная генетика призвана сыграть важную роль в сохранении и укреплении здоровья человека.

Хотя предположения о принципиальной возможности манипуляций с генами высказывались учеными еще в 30— 40-х гг. 20 века, экспериментальные исследования по инженерной генетике стали возможны только в конце 60-х гг., благодаря общему научно-техническому прогрессу, обеспечившему возможность создания аппаратов и приборов, позволяющих осуществлять тончайшие наблюдения, и фундаментальным открытиям в области молекулярной биологии и генетики. К последним прежде всего относится установление природы гена, строения и универсальности генетического кода; обнаружение и выделение ферментов, контролирующих основные генетические процессы, что позволило исследователям получить в изолированном виде отдельные гены и фрагменты нуклеиновых кислот, а также осуществлять в лабораторных условиях синтез фрагментов нуклеиновых кислот и объединять их в единое целое.

Первым этапом развития исследований по инженерной генетике были работы по искусственному синтезу и выделению из живых клеток нуклеиновых кислот и отдельных генов.

Так, в 1967 г. на основе изучения ферментов, осуществляющих в живых клетках размножение (репликацию) нуклеиновых кислот, впервые удалось в искусственных условиях размножить молекулу ДНК бактериального вируса, способную заражать клетку и обеспечивать развитие полноценных вирусных частиц.

В том же 1967 г. группа американских биохимиков сумела выяснить точное химическое строение одной из самых небольших по размеру молекул нуклеиновых кислот — транспортной рибонуклеиновой кислоты (РНК), а спустя 3 года был осуществлен искусственный синтез кодирующего ее участка гена. В 1969 году впервые удалось осуществить выделение гена из живой клетки. Это был ген, контролирующий синтез ферментов, необходимых для усвоения кишечной палочкой молочного сахара — лактозы.

Несмотря на принципиальную важность названных исследований, они знаменовали собой лишь первый шаг в разработке проблем инженерной генетики — поиск способов получения необходимого материала для генетической манипуляций. Вместе с тем они не касались вопросов поиска путей введения генетической информации в живую клетку и обеспечения в ней реализации новой информации. Поэтому большой интерес вызвала работа американских ученых К. Мерилла, М. Гейера и Д. Петриччиани, которыми в эксперименте с помощью бактериального вируса был осуществлен перенос генетической информации в выращенные вне организма клетки кожи человека, страдающего тяжелым наследственным заболеванием — галактоземией. Галактоземия развивается в результате накопления в клетках организма углевода — галактозы и некоторых его производных, причиной которого является нарушение синтеза специального фермента, регулирующего обмен этого углевода. «Подсадив» в клетки кожи бактериальные вирусы, несущие гены, кодирующие синтез этого фермента, К. Мерилл, М. Гейер

и Д. Петриччиани добились устранения наследственного дефекта: через несколько дней в культивируемых клетках был зарегистрирован синтез недостающего фермента и накопление галактозы прекратилось (рис. 1).

Исправление наследственного дефекта в клетках

Дальнейшие успехи в разработке методов инженерной генетики были связаны с рядом открытий в области биохимии. Как известно, процесс передачи генетической информации включает в себя синтез копий генов в виде молекул информационной РНК (см. Ген). Еще в 1961 г. советским генетиком С. М. Гершензоном было экспериментально установлено существование обратного процесса — синтеза генов на их копиях, т. е. на молекулах информационной РНК. Фермент, контролирующий этот процесс, был открыт и выделен в 1970 г. и получил название «обратной транскриптазы».

Открытие и выделение обратной транскриптазы помогло избежать серьезных трудностей, имевших место при чисто химическом синтезе генов: не нужно было проводить гигантскую по трудоемкости работу по изучению последовательности отдельных звеньев в РНК и не нужно было осуществлять еще более сложную операцию по ступенчатому синтезу копий этой РНК в виде ДНК (рис. 2). Поэтому довольно быстро сразу в нескольких лабораториях с помощью этого фермента были изготовлены копии генного материала, обеспечивающего, например, синтез белка глобина, входящего в состав гемоглобина крови.

Искусственный синтез генов

Следующим важным этапом в развитии методов инженерной генетики стало открытие и обнаружение ферментов, способных надрезать молекулу ДНК в строго определенных точках, причем так, чтобы концы образованных фрагментов ДНК могли замыкаться друг с другом (рис. 3). Такой прием позволяет легко соединять между собой фрагменты генов животного происхождения и молекул ДНК бактериальных вирусов. Полученные «гибридные» ДНК могут быть затем введены в любые клетки. Приемы инженерной генетики позволяют вводить в бактериальные клетки и размножать в них гены высших организмов. С помощью методов инженерной генетики можно также «нарезать» ДНК клеток высших организмов, соединить их с ДНК бактериальных вирусов и ввести полученные гибриды в другие клетки. Кроме того, используя различные биохимические и молекулярно-биологические методы, в настоящее время удается отделять клетки, несущие гены высших организмов, и размножать их в больших количествах. Это представляет значительную практическую ценность, т. к. предполагается, что с помощью этого метода в ближайшие годы удастся наладить размножение многих генов, повреждения которых являются причиной наследственных болезней человека. Вопрос о том, как ввести эти гены в клетки организма человека и добиться исправления наследственных дефектов, пока еще не разрешен до конца. Однако принципиально важным является доказательство того, что в ряде случаев внесенная с помощью методов генетического манипулирования чужеродная информация, извлеченная из клеток различного происхождения, может «транслироваться», обеспечивая коррекцию наследственного дефекта. С другой стороны, важным для целей здравоохранения может стать изготовление в больших масштабах ряда ферментов и белков, применяемых в настоящее время в качестве леч. препаратов, и в первую очередь инсулина. Пока в лечебной практике применяется инсулин, выделяемый из организма животных и подвергаемый специальной очистке. Изготовление инсулина под контролем генов человека (а не животного) устранит многие нежелательные последствия введения в организм человека чужеродного белка. Полагают, что в ближайшее время удастся наладить в промышленных масштабах производство инсулина, вырабатываемого клетками бактерий, в которые будут введены гены, контролирующие синтез инсулина в организме человека.

Схема получения гибридных молекул ДНК в бактериальных клетках

Наряду с успехами инженерной генетики значительные достижения были сделаны в области так называемой генетической трансформации высших организмов. Оказалось, что введение в клетки животных, растений и насекомых нефракционированной ДНК (обычные препараты ДНК, выделяемые с помощью относительно простых приемов) приводит к изменению наследственных признаков этих организмов.

ДНК, выделенная из клеток здоровых организмов и введенная в клетки, несущие различные наследственные изменения (мутации), в относительно высоком проценте случаев устраняла дефекты, обусловленные этими мутациями. Молекулярный механизм влияния этой

чужеродной ДНК пока еще изучен недостаточно, но считают, что исправление дефектов может быть следствием как внедрения соответствующего здорового гена в хромосому и замещения им участка хромосомы с больным геном, так и одновременного существования в клетках здоровых генов вне хромосом и больных генов в хромосомах. В последнем случае следует признать, что здоровые гены могут каким-то образом подавлять работу больных генов.

Большое внимание уделено сейчас использованию методов инженерной генетики для создания новых бактерий, способных усваивать азот воздуха и накапливать такие азотсодержащие вещества, которые могли бы легко усваиваться растениями. Благодаря этому можно было бы решить одну из важнейших проблем сельского хозяйства, а именно проблему азотных удобрений и связанную с этим проблему получения достаточного количества пищи для людей. Пока следует признать, что исследования инженерной генетики еще не переросли рамок лабораторных исследований, хотя наблюдающийся в этой области прогресс, без сомнения, может привести в ближайшее время к решению многих практических задач.

Нужно подчеркнуть, что вопрос о локализации в клетке введенной извне генетической информации как в результате инженерной генетики, так и за счет генетической трансформации, далек от своего разрешения.

Развитие работ в области инженерной генетики привело к опасениям о возможности случайного или намеренного получения опасных для биосферы измененных генов и организмов. Работы по инженерной генетике регламентируются национальными программами в рамках лабораторных исследований.



© 2007-2012 Медицинский словарь Rambler's Top100