Генная инженерия

                                                   СОДЕРЖАНИЕ

Введение.

ГЛАВА 1. Теоретические предпосылки формирования генной инженерии как науки.

1.1. Открытие двойной структуры ДНК и матричного синтеза.

1.2.РЕСТРИКТАЦИОННЫЕ ЭНДОНУКЛЕАЗЫ.

1.3.ПРИНЦИПЫ ТЕХНОЛОГИЙ РЕКОМБИНАНТНЫХ ДНК.

1.4. ИДЕНТИФИКАЦИЯ И АНАЛИЗ ГЕНОВ.

1.5. ГИБРИДИЗАЦИЯ  НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ.

1.6. СОРТИРОВКА ХРОМОСОМ.

1.7. СЕКВЕНИРОВАНИЕ  ДНК.

1.8.ДИНАМИЧНОСТЬ  ГЕНОМА.

ГЛАВА 2. ВОЗМОЖНОСТИ ГЕННОЙ ИНЖЕНЕРИИ.

2.1. ЧТО  БУДЕТ  СДЕЛАННО  ПОСЛЕ  ЗАВЕРШЕНИЯ  АНАЛИЗА ГЕНОМА  ЧЕЛОВЕКА.

Глава 3. Области практического применения генной инженерии.

3.1. Создание трансгенных растений.

3.2. ГЕННЫЕ ВАКЦИНЫ

3.2.1. Актуальность разработки новых вакцин

3.2.2.Разработка ДНК-вакцин

3.2.3. Повышение эффективности и безопасности иммунизации

3.2.4. Упрощение разработки  и производства новых вакцин

3.2.5. Упрощение требований  к условиям хранения

3.2.6. Вопросы безопасности применения

3.2.7. Участие фармацевтических компаний в разработке ДНК-вакцин

3.3. Генотерапия

Глава 4. Перспективы клонирования животных

Введение.

Генная инженерия -  направление исследований в молекулярной биологии и генетике, конечной целью которых является получение с помощью лабораторных приемов организмов с новыми, в том числе и не встречающимися в природе, комбинациями наследственных свойств. В основе генной инженерии лежит обусловленная последними достижениями молекулярной биологии и генетики возможность целенаправленного манипулирования с фрагментами нуклеиновых кислот. К этим достижениям следует отнести установление универсальности генетического кода, то есть факта, что у всех живых организмов включение одних и тех же аминокислот в белковую молекулу кодируются одними и теми же последовательностями нуклеотидов в цепи ДНК ; успехи генетической энзимологии, предоставившей в распоряжение исследователя набор ферментов, позволяющих получить в изолированном виде отдельные гены или фрагменты нуклеиновой кислоты, осуществлять in vitro синтез фрагментов нуклеиновых кислот, объединить в единое целое полученные фрагменты. Таким образом, изменение наследственных свойств организма с помощью генной инженерии сводится к конструированию из различных фрагментов нового генетического материала, введение этого материала в рецепиентный организм, создания условий для его функционирования и стабильного наследования.

ГЛАВА 1. Теоретические предпосылки формирования генной инженерии как науки.

1.1. Открытие двойной структуры ДНК и матричного синтеза.

Начальные работы американских учёных Уотсона и Крика были произведены в 1953 году. Они дали возможность развиваться генной инженерии в качестве самостоятельного раздела науки. Эти открытия заключены в следующем:

Была открыта двойная структура ДНК и постулирован её матричный синтез. Двойная спираль ДНК при репликации разделится и вдоль нити ДНК, специальные ферменты-полимеры, собирают точные копии материнской ДНК, таким образом в клетке перед делением две совершенно одинаковые молекулы ДНК, одна из которых после деления клетки попадает в дочернюю клетку. Таким образом дочерняя клетка несет ту же самую информацию, что и материнская, следовательно выполняет те же самые функции. Итак, в клетках живого организма возможен особый тип реакции – матричный синтез. Одна молекула – матрица, а вторая строится по её программе. репликация ДНК синтез всех видов РНК и сборка молекул белка, в соответствии со структурой и-РНК – это все варианты матричного синтеза, который происходит всегда при участии нуклеиновых кислот.

По тому же самому механизму осуществляется сборка РНК, только не двух спиралей, а одной. Этот процесс получил название – транскрипция. Поток информации в клетке обеспечивает реакции матричного синтеза: репликация ДНК(необходима для передачи наследственной информации дочерним клеткам), транскрипция(синтез и-РНК в ядре клетки) и трансляция(сборка белковой цепи на и-РНК при помощи рибосомы).

  Казалось бы, что на рубеже 70-х годов молекулярная биология достигла определённой степени завершенности: были установлены структура и механизм репликации ДНК, провозглашена «центральная догма» экспрессии гена (транскрипция и трансляция), выявлены основные аспекты регуляции активности гена. В этот период главным объектом молекулярно-генетических исследований были микроорганизмы. Переход к эукариотам(включая человека) встретился с дополнительными проблемами и трудностями, и кроме того, существовавшие в то время методы не позволяли рассчитывать на получение принципиально новых результатов. Стремительный порыв в развитии молекулярной генетики в начале 70-х годов стал благодаря появлению нового экспериментального инструмента – рестриктационных эндонуклеаз. Был открыт путь для широкомасштабного получения генных продуктов(физически значимых белков) и для генетического манипулирования с различными организмами. Наши знания о структуре генетического материала и эукариот, в разных областях таких: как действие гена, популяционная генетика, эволюция и генетическая консультация, включая пренатальную диагностику. Достигнутые успехи заставили ученых задуматься об этической стороне манипулирования с человеческим зародышем, об возникновения возбудителей различных болезней в процессе генно-инженерных исследований. Многие из этих вопросов были подняты самими учеными активно работающих в данной области. В настоящее время большинство исследователей считали, что опасения касающиеся, генной инженерии, не имеют достаточно оснований, но многие этические проблемы остаются нерешенными и продолжают возникать новые.

В прошлом генетика и медицинская генетика развивалась как относительно независимые отрасли науки, теперь многие из их разделов оказались вовлечённые в общее русло молекулярно-генетических исследований, и провести между ними грань – трудно.

Сейчас, множество ученых заняты различными работами связанные с проблемами генной инженерии – это и методы, основанные на использовании рестриктационных ферментов, анализ гена человека, методы гибридизации нуклеиновых кислот, секвенирование ДНК, сортировки хромосом при помощи цитофиурометрииии и многое, многое другое. Попытаюсь дать необходимые разъяснения по важнейшим работам из этого ряда.а

Начнём с условий, которым должен соответствовать ген человека, что бы получить полную характеристику его структуры:

1) соответствующие фрагменты ДНК должны быть идентифицированы однозначно.

2) они должны быть выделены и накоплены в количестве, должностном для биохимического анализа.

3)  должна быть определена вся нуклеотидная последовательность.

Принципы, на которых основаны эти три метода, кратко будут описаны ниже. Мы начнем с описания второго, поскольку прогресс в выделении и клонировании генов был решающим для развития новой генетики.  

1.2.РЕСТРИКТАЦИОННЫЕ ЭНДОНУКЛЕАЗЫ.

              _ґ_ьї0’чїяяяяёПb_\Jчї_____

различные штаммы E-coli, Арбер обнаружил, что ДНК этого фага при переходе через бактерию разрезается и теряет свою инфекционность. Оказалось, что ни классические рекомбинационные процессы, ни мутации в этом не участвуют. Более того, такая судьба постигала не только фаговую, но и любую чужеродную ДНК, попадающую в бактерию. Такое разрезание(рестрикцию) следует рассматривать как защитный механизм клетки. Как было показано в дальнейшем, рестриктация чужеродной ДНК осуществляется ферментами, называемыми рестриктационными эндонуклеазами(рестриктазами). Встаёт вопрос, почему рестриктазы не разрезают ДНК собственной клетки? Ответ был найден Арбером и состоял в следующем: эти ферменты вступают в реакцию с определенными участками в ДНК, так называемыми сайтами узнавания, которые в клетке защищены метильными группами(метилированы). Правда, первые из открытых эндонуклеаз не были специфическими, а действовали случайным образом. Первой рестриктазой, которая расщепляла ДНК, в стого определенном месте, была Hind, открытая Смитом в конце 60-х годов. Этот фермент впервые использован Натсоном и соавторами для создания рестриктационнй карты генома вируса  SO40. Берг уловил особое свойство двухцепочной ДНК формировать при обработке рестриктазами так называемые «липкие концы».После разрезания одна из цепей оказывается длиннее, чем другая, на несколько нуклеотидов.Эти нуклеотиды могут свободно спариваться с другими, например с комплиментарными нуклеотидами другого фрагмента ДНК с «липкими концами». Благодаря этому, ДНК из различных источников может объединяться, образуя рекомбинантные молекулы.

1.3.ПРИНЦИПЫ ТЕХНОЛОГИЙ РЕКОМБИНАНТНЫХ ДНК.

Было выделено много рестриктаз(более 150),расщепляющих ДНК в специфических сайтах. Например эндонуклеаза R1 регистрирует двухцепочную ДНК по двум сайтам таким образом, что образуются два липких конца:

         

      G-A-A-T-T-C

      ||| ||  ||  ||  ||   |||

      C-T-T-A-A-G

                           

Липкие концы различных молекул ДНК, расщеплённых этим ферментом, могут вступать по четырём –A-T-парам. Рестриктационные эндонуклеазы различаются по тем сайтам   ДНК, которые они распознают и разрезают. Их можно использовать для различных целей. Однако наиболее распространенным этапом является их применение для амплификации специфической определения нуклеотидных последовательностей фрагментов ДНК, необходимо для ДНК или  для изучения механизмов экспрессии генов. Последняя проблема наиболее важна в практическом аспекте: гены контролирующие образование функционально активных белков, теперьможно вводить в бактерии и размножать(амплифицировать).эта процедура называется клонированием генов. Благодаря ей, появилась возможность вырабатывать в больших количествах белки, которые раньше удавалось получить ничтожно мало. Эта технология основана на следующем принцепе: помимо своей собственной кольцевой хромосомы, бактерии часто содержат дополнительные маленькие кольцевидные молекулы двух цепочной ДНК,называемые плазмидами.

Плазмиды реплицируются автономо и сами могут содержать гены, определяющие устойчивость бактерий к антибиотикам или контролирующие синтез веществ, например: колицинов, убивающих другие бактерии(см. рис.1).

Плазмидную ДНК можно выделить и ращепить подходящей рестриктазой только в одном сайте, превратив кольцевую молекулу в линейную с липкими концами.

Фрагменты любой чужеродной ДНК с такими же липкими концами(полученными

после разрезания аналогичной рестриктазой) можно сшить с плазмидой ДНК с помощью лигазы.

Рис. 1.

Клетка E-coli с хромосомой и плазмидой.

Рекомбинантную конструкцию вводят затем в бактерию, где она реплицируется (см. рис.2 )

Рис. 2. Принцип введения чужеродной ДНК в бактериальную плазмиду с использованием эндонуклеазы.

Источник экзогенной ДНК не имеет значения. ДНК может быть получена, например, из клеток человека, но можно сшивать и искуственно синтизированные гены. Кроме бактериальных плазмид в качестве векторов (носителей) ДНК используют фаги λ (объект исследования Альберта). Часть генома этого фага не обязательна для его размножения в бактерии. Вместо него можно ввести чужеродную ДНК, которая будет размножаться вместе с фаговой, после инфицирования бактерий.

Добиться  репликации и амплификации в составе плазмидной (или фаговой) ДНК после трансформации бактериальной клетки ещё не значит решить все её проблемы. Прежде всего возникают два вопроса:

1. Как распознавать клоны, содержащие гибридную ДНК, среди потомства трансформированных клеток или живых бактериофагов ?

2.       как идентифицировать необходимые фрагменты ДНК среди многих клонированных неизвестных фрагментов?

Например можно отбирать бактериальные клетки, если они несут плазмиду с фактором устойчивости к антибиотику, выращивая их на среде, на среде, содержащей антибиотик. Нетрансформированные клетки без плазмид(и, следовательно, без гена устойчивости к антибиотику) просто не будут расти на такой среде. В последнее время разработано много специальных методов вакцинации, которые позволяют отбирать только рекомбинантные клетки.

Для генной инженерии белков недостаточно отобрать и размножить определённые фрагменты ДНК, необходимо ещё индуцировать их экспрессию в клетке. Для этого необходимо «подключить» рекомбинантную молекулу ДНК , последующую трансляцию матричной РНК и процессинг как на транскрипционном , так и на трансляционных уровнях.    

1.4. ИДЕНТИФИКАЦИЯ И АНАЛИЗ ГЕНОВ.

Ещё одна область применения рестриктаз – идентификация и определение числа генов. Эти задачи решаются с помощью метода разработанного Саузерном.

Тотальную ДНК из клеток человека гидролизуют эндонуклеазой примерно на 500000 фрагментов длиной от 102 до 105 нуклеотидных пар. Затем фрагменты разделяют по молекулярной массе с помощью гель- электрофореза  в ага розе, после чего ДНК денатурирует с щелочью прямо в геле, чтобы получить одноцепочные фрагменты. Их переносят на нитроцеллюлозный фильтр и фиксируют высушиванием при 800С. В результате получается отпечаток(реплика) картины разделения фрагментов ДНК по их размеру. Эти фрагменты можно идентифицировать методом гибридизации с радиоактивными ДНК-зондами, специфичными для определённых генов или хромосом. Любой фрагмент, содержащий всю последовательность зондируемого гена или его часть, будет выглядеть на радиоавтографе в виде тёмной полосы.

Зонды и генные библиотеки. Главное условие такого анализа - наличие подходящего геноспецифического радиоактивного ДНК-зонда, который можно использовать для гибридизации.

1.5. ГИБРИДИЗАЦИЯ  НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ.

Способность к гибридизации цепей ДНК лежит в основе многих методических приёмов молекулярной биологии, поэтому более подробное описание принципа гибридизации будет полезным. Большинство природных ДНК встречается в виде двухцепочных молекул. Их устойчивость поддерживается благодаря тому, что пиримидиновое основание цитозин(C) спаривается с пуриновым основанием гуанином(G), в то время как пиримидиновое основание тимин(T) спаривается с пуриновым основанием аденином(A). Эти комплиментарные пары оснований удерживаются водородными связями(тремя в паре G-C и двумя в паре A-T), которые относительно легко разрываются, при этом одноцепочные фрагменты ДНК, присутствующие в растворе, снова формируют двойную спираль. Для реассоциации не имеет значения происхождения одноцепочной ДНК, не требуется даже полной комплиментарности отдельных цепей. Реассоциация происходит даже тогда, когда какая-то часть оснований в каждой цепи не комплиментарна. Одноцепочная ДНК может спариваться,то есть гибридизироваться даже с РНК, если у них есть комплиментарные основания.