Достижения генной инженерии и биотехнологии

Количество плазмид в  клетке может колебаться от одной  до более сотни; в целом чем  крупнее плазмида, тем меньше количество ее копий в клетке. Обычно репликация плазмиды регулируется независимо от репликации хромосомы. Поскольку плазмиды могут различаться по количеству копий водной и той же клетке, количество копий ; должно определяться регуляторной системой, присущей самой плазмиде. Такая система была описана в 1972 г. датчанином Нордстрёмом из Университета Оденсе для плазмиды R1 Е. со1i; сходные регуляторные системы были найдены у плазмид стафилококков. Количество копий плазмиды R1 зависит, по-видимому, от белка или белков, которые подавляют ее репликацию. Сегмент ДНК длиной не более двух тысяч пар нуклеотидов управляет репликацией плазмиды, которая более чем в 50 раз его крупнее.

Долгое время считалось, что генетическая конституция всех клеток данного вида одинакова и  не изменяется в течение длительного  времени, однако, как оказалось, значительная часть генетических признаков, причем не только у бактерий, но и у высших организмов, нестабильна (эти признаки имеются в одних клетках или  штаммах и отсутствуют в других,, клетки могут терять их и приобретать вновь) и мобильна (способна переноситься между клетками или перемещаться в одной и той же клетке из одного локуса в другой). Такая нестабильность объясняетcя тем, что эти признаки определяются плазмидами и тугими атипичными генетическими системами.

При коңюгации бактериальных  клеток может происходить обмен плазмидами между бактериями, принадлежащими к разным видам и даже родам, которые не способны обмениваться генами, находящимися в хромосомах. Наконец, такой обмен может приводить к переносу генов, находящихся в плазмиде, из одного вида в другой при совместном росте и конкуренции, в результате чего реципиентные клетки приобретают способность выживать за счет донорных клеток. Эти свойства показывают, что плазмиды способны к выживанию независимо от судьбы содержащих их клеток, они не только не снижают общей приспособленности клетки, но, напротив, снабжают ее дополнительными адаптивными функциями. В самом деле, плазмиды обладают способностью включать в себя новые гены, а уже содержащиеся в них гены «перетасовывают» так, что это, с одной стороны, не влияет на эффективность репликации самих плазмид, а с другой—наделяет клетку резервуаром генетической информации, которую она использует по мере надобности.

Второй метод, которым  исследователи пользуются для введения гена в бактериальные клетки, основан  на применении бактериофага в качестве вектора. Ген встраивают в геном вируса (который содержит 10—50 генов), и он реплицируется вместе с генами вируса при размножении последнего в бактериальной клетке.[2]

Достижения генной инженерии.

Группа Кораны синтезировала  ген аланиновой тРНК дрожжей, структура  которого к тому времени была полностью расшифрована. Этот ген длиной 77 п. н. не содержал регуляторных последовательностей и поэтому не обладал функциональной активностью. Позднее та же группа авторов синтезировала первый функционально активный ген — ген супрессорной тирозиновой тРНК Е. coli длиной около 200 п. н.

Генная инженерия открыла  путь для производства продуктов  белковой природы путем введения в клетки микроорганизмов искусственно синтезированных кодирующих их генов, где они могут экспрессироваться в составе гибридных молекул. Первой удачной попыткой такого рода стала работа К. Итакуры и Г. Бойера с соавторами (1977) по экспрессии в Е. coil химически синтезированного гена, кодирующего гормон млекопитающих — соматостатин. Ген соматостатина был получен на основе сведений о первичном строении этого пептидного гормона, состоящего всего из 14 аминокислот. Использованный в этой работе подход оказался весьма перспективным для получения и многих других пептидных гормонов.

В различных лабораториях в СССР и за рубежом были созданы  штаммы Е. coli, синтезирующие в составе  гибридных белков гормон роста человека (соматотропин), пептидные гормоны — брадикинин и ангиотензин, нейропептид лей-энкефалин и др.

Ген гормона роста человека длиной 584 п. н.— наиболее длинный  из искусственно синтезированных в  настоящее время. Он был встроен  в плазмиду, реплицирующуюся в  Е. coli под контролем промотора  триптофанового оперона. Трансформированные полученной химерной плазмидой клетки Е. coli продуцировали при индукции промотора около 3 млн. молекул гормона роста человека в расчете на клетку. Этот полипептид, как было установлено в экспериментах на крысах с удаленным гипофизом, по функциям оказался полностью идентичен гормону роста человека.

В 1976 г. Гилберт и Максам в Гарвардском университете, а  также Сэнгер разработали быстрый  метод химического анализа ДНК; появилась реальная возможность  определять последовательность до 1000 нуклеотидов в неделю силами одного исследователя. В 1982—1985гг. стало возможно создать прибор для автоматического анализа нуклеиновых кислот (а значит, генов). Анализ ДНК позволяет дедуцировать, основываясь на генетическом коде, аминокислотные последовательности белков, синтез которых находится под контролем соответствующих генов. С помощью созданного в результате совершенствования анализа белков микроанализатора Худа— Ханкепиллера (Калифорнийский технологический институт, 1980) за день удается определять последовательность из 100—200 аминокислот, причем для этого требуется всего 10 нг белка (1 нг=10 -9 г)2 [2].

Еще один важнейший этап—это синтез биополимеров по установленной  структуре. Первые коммерческие приборы, производящие автоматизированный синтез полипептидов, были разработаны на основе исследований Меррифилда в 1963 г. Они используются в исследовательских  лабораториях и в фармацевтической промышленности.

Метод химического синтеза  генов обеспечил также возможность  получения штаммов бактерий продуцентов  инсулина человека, важного лечебного  препарата для больных диабетом. «Ген инсулина синтезировали в вида более 40 в основном шестичленных олигонуклеотидов, которые затем объединяли в единую структуру с помощью ДНК-лигаэы. Полученные двух цепочечные полинуклеотиды длиной 271 и 286 пар оснований были встроены в плазмидные векторы. Туда же были встроены и регуляторные участки  ДНК, обеспечивающие экспрессию гибридных молекул. Клонированные гены кодировали синтез проинсулина, который путем несложной химической обработки можно превратить в активный инсулин, включающий две полипептидные цепи А и В из 21 и 30 аминокислотных остатков, соединенных между собой сульфгидрильными связями» [4].

Таким способом получены и  клонированы гены, кодирующие глобины человека, животных и птиц, белок хрусталика глаза быка, яичный белок, фиброин шелка, продуцируемый тутовым шелкопрядом, и др. Этот же принцип был применен для получения, клонирования и экспрессии генов интерферона человека в бактериях. Интерферон — ценный лекарственный препарат, широко используемый для борьбы с вирусными инфекциями и лечения ряда других заболеваний, включая злокачественные опухоли. Интерферон вырабатывается в клетках животных и человека, но обладает выраженной видоспецифичностью. Ю. А. Овчинников и В. Г. Дебабов с сотрудниками получили микроорганизмы, эффективно синтезирующие интерфероны человека. Этим исследователям удалось сконструировать рекомбинантные плазмиды, обуславливающие синтез интерферона человека в Е. coli (рис. 16.2). Очищенный из клеток бактерий интерферон по своим физико-химическим и биологическим свойствам оказался близок интерферону, находящемуся в крови доноров. За счет введения в векторную плазмиду сигнальных последовательностей, инициирующих синтез иРНК и белка, удалось получить бактерии, способные синтезировать до 5 мг интерферона а расчете на 1 л суспензии бактерий. Это в 5000 раз больше, чем содержится в 1 л крови доноров. Замена Е. coli на микробы некоторых других видов позволяет еще больше увеличить производительность такой «фабрики интерферона».

В 1980 г. Итакура создал первый синтезатор генов. Вскоре после этого  компания «Био-Лоджикалс» (Торонто) выпустила  прибор, сконструированный Огилви в  Университете МакГилла в Монреале; прибор был способен в течение 6 ч синтезировать 12-членный олигонуклеотид с заданной последовательностью. В 1981 г. Худ, изобретатель белкового микроанализатора, создал другой автомат, выпускаемый фирмой «Генетик инстраментс».

Компания «Био-Лоджикалс» намеревалась до конца 1982 г. выпустить  две модели синтезаторов олигонуклеотидов—одну полуавтоматическую, а вторую в комплексе с компьютером. В 1982 г. цена этих приборов на американском рынке составляла 36000—39500 долл.[2].

К открытиям связанным  с достижениями генной инженерии  нужно прибавить то, что огромный генетический «чертеж» многоклеточного  существа просчитан полностью. Я  думаю это можно назвать достижением  века.

После восьми лет работы многих исследовательских групп удалось  точно определить 97 миллионов пар  нуклеотидов и их местонахождение  в спирали ДНК, хранящей полную наследственную информацию микроскопического червячка Сaenorhabditis elegans длиной около миллиметра Хотя это очень маленький червь, скорее червячок, с него без всякого преувеличения начинается новая эра в биологии. Геном этой нематоды состоит из 97 миллионов пар нуклеотидов ДНК, округленно 0,1 миллиарда пар. Геном человека, согласно большинству оценок, - 3 миллиарда нуклеотидных пар. Разница в 30 раз. Однако именно эта работа, о которой идет речь, окончательно убедила даже самых закоренелых скептиков, что расшифровка строения всего генома человека не только возможна, но и достижима в ближайшие годы.

В лабораториях мира полным ходом идет расшифровка генома человека. Эта международная программа  была начата в 1989 году, тогда же благодаря  инициативе и энергии выдающегося  биолога, ныне покойного академика  А. А. Баева, к программе подключилась и Россия. В феврале этого года в Черноголовке под Москвой прошла конференция "Геном человека-99", посвященная десятилетию начала этих работ и памяти их инициатора, руководившего российской частью программы  первые пять лет. Сейчас в разных странах  мира, в лабораториях, разделивших  между собой "фронт работ" (всего  надо прочитать около трех миллиардов пар нуклеотидов), ежедневно расшифровывается более миллиона нуклеотидных пар, причем темп работ все ускоряется.[6]

Расшифровка, или, как говорят  биологи, секвенирование, генома C. elegans была осуществлена по совместному проекту  двумя исследовательскими группами: из Центра геномного секвенирования Вашингтонского университета (США) и  Сенгеровского центра (Кембридж, Англия). В журнале "Science" от 11 декабря 1998 года опубликована серия статей, подробно рассказывающая об этой поистине грандиозной  работе.

Естественно, расшифровать геном  таких гигантских размеров, как у  названной нематоды (напомню: 97 миллионов  пар нуклеотидов ДНК), невозможно без огромной подготовительной работы. Ее в основном завершили к 1989 году. Прежде всего была построена физическая карта всего генома нематоды. Физическая карта представляет собой небольшие  участки ДНК известной структуры (маркеры), расположенные на определенных расстояниях один от другого.

И вот с 1990 года началось само секвенирование. Его темп составлял  в 1992 году 1 миллион пар нуклеотидов  в год. Если бы такой темп сохранился, на расшифровку всего генома понадобилось бы почти 100 лет! Ускорить работы удалось  простейшим способом - число исследователей в каждом центре возросло примерно до 100. По мере того, как раскрывалась нуклеотидная последовательность ДНК 

C. elegans, пришлось расстаться  с двумя заблуждениями. Во-первых, оказалось, что генов у нее  не 15 тысяч, как предполагали вначале,  а 19099. Во-вторых, надежда на то, что гены сосредоточены в середине  хромосом, а к концам сильно  редеют, оправдалась лишь отчасти,  гены распределены вдоль хромосом  относительно равномерно, хотя в  центральной части их все-таки  больше.

Если у дрожжей функция  половины генов в геноме неизвестна (так называемые молчащие гены), то у  червя эта доля еще больше: из 19 тысяч генов 12 тысяч остаются пока загадочными.

Значение секвенирования генома нематоды, конечно, выходит далеко за рамки того, что можно назвать  полигоном для расшифровки генома человека. C. elegans - первый многоклеточный организм, геном которого раскрыт  практически полностью. Можно напомнить: два года назад был расшифрован  первый геном эукариотического организма - дрожжей, то есть организма, клетки которого содержат оформленные ядра. (К эукариотам относятся все высшие животные и  растения, а также одноклеточные  и многоклеточные водоросли, грибы  и простейшие. Дрожжи, согласно биологической  систематике, относятся к одноклеточным  грибам.) Иначе говоря, за два года был пройден путь от генома одноклеточного до генома многоклеточного организма.

Программа "Геном человека", как уже говорилось, - программа  общечеловеческая. Каждая лаборатория, в какой бы стране она ни находилась, вносит в нее посильный вклад. И как только кому-то удается раскрыть структуру нового гена, эта информация немедленно поступает в Международный  банк данных, доступный каждому исследователю. В России по этой программе работают около 100 исследовательских групп.[6]

Молекулярная геномика.

Особо мне хотелось бы отметить изменения в медицине происходящие за счет достижений генной инженерии. Наступающий ХХI век многие провозглашают  веком генетики. Современную генетику, изучающую химические механизмы  наследственности, называют молекулярной геномикой. Сегодня молекулярная геномика - приоритетное направление научных  исследований. Она влияет на развитие науки в целом и здравоохранения  и медицины в частности. Молекулярная геномика создала предпосылки решения  таких ключевых вопросов современной  науки, как происхождение человека (филогенез), возникновение рас и  наций, пути их расселения по планете (этногенез), развитие организма из одной единственной клетки (онтогенез), проблема клонирования млекопитающих и человека. "Генетизация" общества происходит буквально на наших  глазах. А это, в свою очередь, не может не привести к качественным изменениям и в медицинской науке: в ней наступает эпоха молекулярной медицины. Молекулярная медицина это - диагностика, лечение и профилактика наследственных и ненаследственных болезней на генном уровне.