Генетика человека

Примеры организации генома РНК-содержащих вирусов

1. Линейная одноцепочечная мРНК (плюс–цепь) длиной около 4 тн; в виде единой молекулы или в виде нескольких разных молекул. Плюс-цепь сразу же может использоваться для трансляции. Вегетативно-репродуктивная фаза этих вирусов протекает в цитоплазме. В плюс-цепи закодирована РНК-репликаза (РНК-зависимая РНК-полимераза). Представители:

– Вирус табачной мозаики (ВТМ) – сегментированная РНК. Вирион нитевидный (18х300 нм). ВТМ открыт Д.И. Ивановским в 1982 г.

– Вирус полиомиелита –  несегментированная РНК. Вирионы мелкие, в виде икосаэдра. Капсид белковый. 

– Вирус бешенства. Нитевидный вирион. Имеется дополнительная липопротеиновая  оболочка.

– Арбовирусы (переносятся членистоногими: клещами, москитами) – вирусы клещевого энцефалита, желтой лихорадки. Морфология и размеры вирионов разнообразны, например, вирус энцефалита содержит 9 белков. Имеется дополнительная липопротеиновая оболочка.

– Мелкие бактериофаги (с  несегментированной РНК).

2. Линейная одноцепочечная кРНК (минус–цепь, порядок нуклеотидов комплементарен по отношению к мРНК). Минус–цепь не может служить для трансляции и используется как матрица для синтеза плюс–цепи. Плюс-цепь служит для трансляции вирусных белков и используется как матрица для синтеза вирусной кРНК. Вегетативно-репродуктивная фаза этих вирусов также протекает в цитоплазме.

– Вирусы гриппа А, В, С. Вирус гриппа А содержит минус-цепь РНК, состоящую из 8 фрагментов. Фрагменты РНК связаны с вирусными белками и образуют спиральный нуклеокапсид. Поверх нуклеокапсида располагается гликолипопротеиновый суперкапсид. В составе вириона 10 белков. В состав суперкапсида входит два белка, определяющих антигенные свойства вируса: гемагглютинин и нейраминидаза. Кроме того, в состав вириона входит уже готовая РНК-репликаза, обеспечивающая синтез плюс-цепи на матрице минус-цепи.

– Вирусы паротита (свинки), кори, чумы плотоядных животных (чумки). Сферический вирион средних размеров. Имеется дополнительная липопротеиновая оболочка.

3. Линейная двухцепочечная РНК

– Мелкие бактериофаги. Вирионы  мелкие, сферические или в виде икосаэдра. Капсид белковый.

– Вирусы полиэдроза насекомых. Вирионы мелкие, сферические или в виде икосаэдра. Капсид белковый. Используются в биотехнологии (для синтеза интерферона).

– Реовирусы птиц, млекопитающих и человека. Вирионы мелкие, сферические или в виде икосаэдра. Капсид белковый. Вызывают ОРВИ, желудочно-кишечные заболевания. РНК фрагментированная (10...11 фрагментов), кодирует 11 белков.

4. Две линейные одноцепочечные одинаковые молекулы мРНК длиной около 10 тн. Ретровирусы. Способны интегрироваться в ДНК. В состав вирионов входит фермент обратная транскриптаза (ревертаза). Имеется дополнительная липопротеиновая оболочка. Многие ретровирусы вызывают онкологические заболевания: лейкозы, саркомы, опухоли молочных желез. К ретровирусам относится и вирус иммунодефицита человека, вызывающий СПИД.

– Вирус иммунодефицита человека (ВИЧ). Содержит одну плюс-цепь РНК, кодирует 13 белков. Сферический  вирион. Имеется дополнительная липопротеиновая  оболочка, включающая фрагменты мембран  человека. Избирательно поражает Т–лимфоциты.

Общие принципы и  методы генетической инженерии

Генетическая  инженерия - это новый раздел экспериментальной молекулярной биологии. Появление ее методологии стало возможным благодаря предшествующим работам многих исследователей в различных областях биохимии и молекулярной генетики. К основным достижениям, которые обусловили рождение и успешное развитие генетической инженерии, можно отнести следующие:

1. Доказательство в 1944 г. Эйвери с соавторами роли дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) как носителя генетической информации и открытие в 1953 г. Уотсоном и Криком структуры ДНК
2. Экспериментальное подтверждение универсальности генетического кода
3. Интенсивное развитие молекулярной генетики, объектами которой прежде всего стали бактерия Escherihia coli, а также ее вирусы и плазмиды
4. Отработка простых методов выделения высокоочищенных препаратов неповрежденных молекул ДНК плазмид и вирусов
5. Разработка методов введения в чувствительные клетки молекул ДНК вирусов и плазмид в биологически активной форме, обеспечивающей репликацию молекул ДНК и/или экспрессию кодируемых ими генов
6. Открытие ряда ферментов, использующих ДНК в качестве субстрата катализируемых ими реакций. Особую роль в развитии методологии генетической инженерии сыграли такие ферменты, как рестриктазы и ДНК-лигазы.

 

Основная суть современной  стратегии генетической инженерии  заключается в:

1. В небольшую молекулу ДНК, способную реплицироваться в клетке автономно от хромосомы, (плазмиду или вирусную ДНК) ферментативно встраивают фрагменты молекул ДНК любого изучаемого организма или синтезированные сегменты ДНК;
2. Образующиеся при этом молекулы, которые будем называть гибридными ДНК, вводят в чувствительные прокариотические или эукариотические клетки, где они реплицируются, размножая в своем составе встроенные фрагменты ДНК;
3. Определенными методами отбирают клоны клеток или вирусов, содержащих их индивидуальные типы молекул гибридных ДНК;
4. Выявленные гибридные ДНК подвергают разностороннему структурно-функциональному изучению. Особую роль при этом играют высокоэффективные методы расшифровки последовательности нуклеотидов (секвенирования) фрагментов ДНК.

( С.Н. Щелкунов, «Генетическая  инженерия», Новосибирск, 1994 г., стр. 5-6  )

 

      Главным  объектом генно-инженерного воздействия  является дезоксирибонуклеиновая  кислота. 

      ДНК является  полимером нуклеотидов. Нуклеотид  состоит из трех компонентов:  пуринового или пиримидинового  основания, пятиуглеродного циклического сахара, с которым основание связано одним из своих атомов азота N-гликозидной связью (образуется  нуклеозид) , и фосфата, связанного эфирной связью с 5^’-углеродом сахара. В ДНК имеются нуклеотиды четырех типов, различающиеся лишь своими основаниями. К этим основаниям относятся два пурина (Pu) – аденин (А) и гуанин (G) – и два пиримидина (Ру) – тимин (Т)  и цитозин (С).

                                                             

         Характерной особенностью ДНК  является то, что ее молекула  обычно состоит из двух полимерных  цепей, закрученных в двойную  спираль. Каждая цепь – это  регулярный полимер, в котором  остатки сахара двух соседних  нуклеотидов связаны при помощи  фосфатных групп.

      Существует  несколько отраслей генетической  инженерии:

- ферментационные – продукция антибиотиков, витаминов, ферментов, аминокислот и др.; биосинтез и биотрансформация

- иммунобиотехнологии – вакцины, диагностикумы, аллергены, антатела, в том числе моноклональные антитела (гибридологическая технология);

- клеточные технологии  – клеточная терапия, оплодотворение  in vitro;

- технологии рекомбинантных ДНК – генотерапия, продукты рекомбинантных белков человека;

- нанобиотехнологии, аналитические биотехнологии – биочипы и биосенсоры;

- фармбиотехнологии – биопрепараты на основе лекарственных растений.

 

                                                                       

                   Социальная роль генной инженерии

 

           Генная инженерия ведет отсчет  своей истории с работы П.  Берга по созданию рекомбинантной ДНК вирусного и бактериального геномов в 1972 г. За прошедшие 30 с лишним лет произошли изменения, сравнимые с промышленной революцией. Современная жизнь уже немыслима без биотехнологии. Но, как и все крупномасштабные явления, генная инженерия породила немало проблем. Проблемам, поднимаемым генной инженерией, посвящены сотни книг. Поэтому, не вдаваясь в подробности столь многогранной темы, перечислим некоторые «узловые» моменты дискуссий вокруг нее.

            Проблема генетически модифицированных  продуктов активно обсуждается  в прессе. С самого начала исследования  по «производству» трансгенных организмов встретили враждебное отношение, а первое растение (трансгенная земляника) была уничтожена разгневанными противниками.  В разных городах и странах и ныне проходят митинги и демонстрации протеста. Сторонники генетически модифицированных продуктов выступают с альтернативными аргументами. Ажиотаж вокруг споров в большей степени базируется на неграмотности широких масс в вопросах генетики. Этим ловко пользуются конкурирующие фирмы, шумно запуская в прессу несуразные «страшилки», одновременно преподнося свою продукцию как «экологически чистую».

             Другая давняя тема – создание  нового биологического оружия. Проблема  болезнетворных микроорганизмов  с новыми свойствами, по каким-либо  причинам оказавшихся вне лаборатории,  была основной темой воззвания  к ученым всего мира «Комитета  Берга» в 1973 г. И Международной  конференции в Асиломаре (США) в 1975 г. Возможности современной генной инженерии несоизмеримы с ее возможностями того времени. Вопрос, как будут использованы научные достижения – от самой науки никогда не зависел.

             Существует также проблема непредсказуемых  результатов. Так, в свое время  введение чужого гормона роста  лососю, не только имело обратное  действие, но и сопровождалось  целым рядом патологий. Фактор  устойчивости, введенный в культурное  растение, может быть посредством  плазмид перенесен в сорняки, что приведет к катастрофическим последствиям. Сам фактор устойчивости только стимулирует к эволюционным изменениям новых патогенных форм, против которых трансгенные организмы будут беззащитны.

             Трансгенные растения, а в будущем и животные могут нанести непоправимый удар по сбалансированным эволюцией экосистемам. Жизнь на Земле зависит от всего биологического разнообразия, нарушение которого представляет огромную опасность.

             Биотехнологию с первых шагов  ее развития сопровождает «Господин  Большой Бизнес», направляя в  исследования свои финансовые  потоки. Биотехнология и сама  превратилась в доходный бизнес  со всеми его негативными атрибутами.

             Конкуренция толкает фирмы к  осуществлению в рекламных целях  самых абсурдных проектов.

             Проблема клонирования человека  и создания «склада органов»  столь давно муссируется в  прессе, что добавить уже нечего. В настоящее время во многих  странах эксперименты по клонированию  человека запрещены, и нарушителям  грозит тюремное заключение от 5 до 20 лет. Но всем понятно,  что никакие запреты не смогут  помешать, если есть спрос. Клонирование  человека – дело ближайшего  будущего.

             Стратегия запретов практически  неприменима из-за невозможности  провести «этическую границу»  исследований. Даже при клонировании тканей в терапевтических целях необходим этап выращивания человеческого эмбриона с целью получения его клеток. Это многие рассматривают как убийство потенциального человеческого индивида. Особое негодование такие эксперименты вызывают в религиозных кругах. На наших глазах рожается новая область права – «юридический статус зародыша».  Как экзотику можно вспомнить выступление общественности США против употребления в пищу мяса трансгенных коров со встроенными генами человека. Активисты выступлений сравнивали поедание такого мяса с каннибализмом.

               Такие разделы, как генная диагностика  и генная терапия, породили  свои этические проблемы. Главная  из них – допустимость информированности больного и его родственников о неизлечимом недуге. Поскольку многие болезни носят вероятностный характер, допустимо ли информировать больного о степени риска? Какова степень доступа государственных служб и работодателей к генетическим сведениям о гражданине?

              Успешное завершение проекта  «Геном человека» открывает новые  перспективы в развитии генной  инженерии. То, что еще недавно  относилось к области научной  фантастики, на наших глазах становится  реальностью. Столь стремительное  развитие науки затрудняет перспективное  прогнозирование. Современные актуальные  проблемы заслоняют проблемы  отдаленного будущего. Например, нет  никаких принципиальных теоритических барьеров для создания в будущем генотипа ребенка «по заказу» родителей. Но все ли в полной мере представляют последствия этой возможности?

               Вышеперечисленные примеры представляют  только долю тех проблем, которые  породила генная инженерия. Всякое  явление по своей сути амбивалентно. Как убеждает нас история, вроде  бы очевидные достоинства какого-либо  внедрения неизбежно имеют негативные  последствия. То же относится  и к генной инженерии. Проблемы, порожденные ею, человечеству предстоит  решать в ближайшее время. 

(Н.А. Курчанов, «Генетика человека с основами общей генетики», Санкт-Петербург,2009 г., стр. 90-92)

 

 

 

 

     

 

 

 

 

 

 

 

            

 

 Заключение

      После изучения  данной темы, у меня сложилось  такое мнение о роли генетической  инженерии.

       Методами  генетической инженерии получены  штаммы бактерий, дрожжей, линии  культур клеток, с высокой эффективностью  продуцирующих биологически активные  белки человека и животных. Это,  по моему мнению, позволяет иметь  эукариотические полипептиды в огромных по сравнению с недавним прошлым количествах, что упрощает процедуру их очистки вплоть до индивидуального состояния. Работы по созданию штаммов-продуцентов имеют очень важное значение для медицины и ветеринарии и революционизируют бурно развивающуюся отрасль промышленности - биотехнологию. Чрезвычайно интересны исследования по созданию так называемых трансгенных животных и растений, содержащих и экспрессирующих чужеродную генетическую информацию.

         За прошедшие годы сформировались  новые экспериментальные подходы,  получен ряд принципиальных результатов,  расширился спектр задач, решаемых  методами генетической инженерии.  Генетическая инженерия значительно  расширила экспериментальные границы  молекулярной биологии, поскольку  позволила вводить в различные  типы клеток чужеродную ДНК  и исследовать ее функционирование  в гетерологичном окружении, что дало возможность выявлять общебиологические закономерности организации и выражения генетической информации в различных организмах. Я думаю, что данный подход открыл перспективы создания принципиально новых микробиологических продуцентов биологически активных веществ, а также животных и растений, несущих функционально активные чужеродные гены. Беря во внимание все вышеизложенное в моем эссе, я могу заключить, что появление возможности искусственно создавать гены, кодирующие химерные полипептиды, обладающие свойствами двух или более природных белков, революционизировало биологическую науку и дало мощный импульс развитию биотехнологии.