Генная инженерия и клонирование

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Генная инженерия и клонирование

 

Генная инженерия (ГИ) –  это один из разделов молекулярной биологии, изучающий целенаправленное конструирование новых комбинаций генов. Она основана на извлечении из клеток какого-нибудь гена или группы генов, соединения их с определенными  молекулами нуклеиновых кислот и  внедрении полученных гибридных  молекул в клетки другого организма. 
Предметом исследований ГИ является как организм в целом, так и его молекулярный уровень (хромосомный, клеточный), тканевый, организационный и популяционный. Методы ГИ позволяют изменять организм путем манипуляции с клетками, их ядрами, хромосомами, участками хромосом, генами и их частями. 
            Перенос генов животных. Из генов животных первыми были введены в бактерию гены шпорцевой лягушки Xenopus laevis. Эти гены хорошо изучены и легко поддаются идентификации. Их ввели в клетки штамма E. coli, устойчивого к тетрациклину, и они здесь реплицировались. У полученных клонов состав ДНК соединял в себе характеристики X. laevis и E. coli. 
В настоящее время научились уже переносить гены от одного животного к другому и от животного к растениям. Получены «трансгенные» мыши, свиньи, овцы, коровы и рыбы. ДНК можно прямо инъецировать в оплодотворенное яйцо вида-реципиента, или использовать в качестве переносчика вируса, который, проникнув в клетку, внесет с собой и нужный ген. Третий метод связан с использованием неспециализированных стволовых (т.е. родоначальных) клеток эмбриона. Гены вводят в стволовые клетки путем инъекции или с помощью вируса, и полученные в результате трансгенные клетки инъецируют другому зародышу, который включает эти чужие клетки в свои ткани. Гены человека вводили и в растения, например в табак, в надежде получить таким способом большие количества нужных белков, в частности антител и ферментов. В этих экспериментах перенос генов оказался довольно простым делом. Была придумана специальная «генная пушка», выстреливающая ДНК прямо в листья растений. 
          Теперь ученые  умеют уже синтезировать гены, и с помощью таких синтезированных генов, введенных в бактерии, получают ряд веществ, в частности гормоны и интерферон. Их производство составило важную отрасль биотехнологии. 
          Интерферон – белок, синтезируемый организмом в ответ на вирусную инфекцию, изучают сейчас как возможное средство лечения рака и СПИДа. Понадобились бы тысячи литров крови человека, чтобы получить такое количество интерферона, какое дает всего один литр бактериальной культуры. Ясно, что выигрыш от массового производства этого вещества очень велик. Очень важную роль играет также получаемый на основе микробиологического синтеза инсулин, необходимый для лечения диабета. Методами генной инженерии удалось создать и ряд вакцин, которые испытываются сейчас для проверки их эффективности против вызывающего СПИД вируса иммунодефицита человека (ВИЧ). С помощью рекомбинантной ДНК получают в достаточных количествах и человеческий гормон роста, единственное средство лечения редкой детской болезни – гипофизарной карликовости.  
Еще одно перспективное направление в медицине, связанное с рекомбинантной ДНК, – так называемая генная терапия. В таких работах, которые пока еще не вышли из экспериментальной стадии, в организм для борьбы с опухолью вводится сконструированная по методу генной инженерии копия гена, кодирующего мощный противоопухолевый фермент. Генную терапию начали применять также для борьбы с наследственными нарушениями в иммунной системе.  
         В сельском хозяйстве удалось генетически изменить десятки продовольственных и кормовых культур. В животноводстве использование гормона роста, полученного биотехнологическим путем, позволило повысить удои молока; с помощью генетически измененного вируса создана вакцина против герпеса у свиней. 
Эксперименты по ГИ показали широкие возможности получения комбинированных молекул и внедрения их в клетки. С помощью ГИ были созданы бактерии, обладающие способностью сверхсинтеза нужных белков, аминокислот, ферментов, витаминов, гормонов, антиби¬отиков и т.п. Проводятся исследования по получению новых лекарств, особенно противораковых. 
Важную веху в развитии генетики ХХ в. составили прикладные науки генетики – генная фармакология и генная дактилоскопия. Всем известны так называемые гормональные препараты, действие которых основано на стимуляции процессов организма человеческими гормонами, искусственно созданными в лабораториях. В 1940-е гг. американский исследователь Барбара Мак-Клинток открыла участки ДНК, способные передвигаться из одного места в хромосомах в другое, встраиваясь рядом с геном, меняя их работу. «Прыгающие гены» обнаружили себя во всех живых организмах – это 5–10% всего генетического материала. 
           Генная дактилоскопия обогатила генетическую науку методом идентификации личности, который впервые возник в Англии в 1985 г. на базе фундаментальных исследований генома человека, которые производила группа ученых во главе с А. Джеффрисом. Помимо установления личности человека, идентификационный метод позволяет определить и факт родства людей или отдельных видов животных. 
         Несмотря на явную пользу от генетических исследований и экспериментов, само понятие «генная инженерия» породило различные подозрения и страхи, стало предметом озабоченности и даже политических споров. Многие опасаются, например, что какой-нибудь вирус, вызывающий рак у человека, будет введен в бактерию, обычно живущую в теле или на коже человека, и тогда эта бактерия будет вызывать рак. Возможно также, что плазмиду, несущую ген устойчивости к лекарственным препаратам, введут в пневмококк, в результате чего пневмококк станет устойчивым к антибиотикам и пневмония не будет поддаваться лечению. Такого рода опасности, несомненно, существуют. 
Генетические исследования ведутся серьезными и ответственными учеными, а методы, позволяющие свести к минимуму возможность случайного распространения потенциально опасных микробов, все время совершенствуются. Оценивая возможные опасности, которые эти исследования в себе таят, следует сопоставлять их с подлинными трагедиями, вызванными недоеданием и болезнями, губящими и калечащими людей.

Клон (от греч. сlon – отпрыск, ветвь) – это группа клеток или организмов, происшедших от общего предка путём бесполого размножения и являющихся генетически идентичными. Примером клона можно назвать группу бактериальных клеток, образовавшихся в результате деления исходной клетки, потомков морской звезды, регенерировавших из частей разделённого материнского организма, клоном также являются все кусты или деревья, полученные путём вегетативного размножения. Однако вот млекопитающим способность размножаться путём клонирования природа не «предусмотрела». Высокий уровень дифференциации клеток как бы «обратной стороной медали» обозначает утрату ими способности давать начало новому организму. Однако, как показала практика, ядро даже дифференцированной клетки сохраняет все потенции, необходимые для того, чтобы дать начало новому организму. 
           Суть клонирования проста: требуется две клетки – одна, которая будет донором ядра и хозяин которой клонируется, и яйцеклетка, развитием которой и будет управлять подсаживаемое ядро. Собственное ядро яйцеклетки должно быть уничтожено (клетка энуклеирована). Опыт также показывает, что для клонирования лучше, если яйцеклетка не оплодотворена. Клетку-донор тем или иным способом заставляют перейти в так называемую G0-фазу или стадию покоя. После этого её ядро либо путём пересадки, либо слиянием клеток доставляется в яйцеклетку. Последняя стимулируется к делению и приступает к формированию эмбриона. Последний подсаживается в матку так называемой суррогатной матери, где в случае удачного развития формирует новый организм, являющийся генетически идентичным тому, который был донором ядра. 
Сейчас наиболее известны два варианта данной методики – так называемые Рослинская и Гонолульская технологии. Первая была использована при клонировании овцы Долли Яном Вильмутом и Китом Кембеллом из Рослинского института в 1996 г., а вторая – группой учёных из Университета Гавайи в 1998 г., в результате чего было получено полсотни клонов мыши. 
          История клонирования весьма насыщена и динамична. Первые опыты, связанные с клонированием, по крупному счёту, начали проводить лишь около сотни лет назад. Возможность клонирования эмбрионов позвоночных впервые была показана в начале 1950-х гг. в опытах на амфибиях. Американские исследователи Бриггс и Кинг разработали микрохирургический метод пересадки ядер эмбриональных клеток с помощью тонкой стеклянной пипетки в лишенные ядра яйцеклетки. Они установили, что если брать ядра из клеток зародыша на ранней стадии его развития, бластуле, то примерно в 80% случаев зародыш благополучно развивается дальше и превращается в нормального головастика. Если же развитие зародыша, донора ядра, продвинулось на следующую стадию, гаструлу, то лишь в менее чем в 20% случаев оперированные яйцеклетки развивались нормально. 
          Большой вклад в эту область внес английский биолог Гердон. Он первый в опытах с южноафриканскими жабами (1962 г.) в качестве донора ядер использовал не зародышевые клетки, а уже вполне специализировавшиеся клетки эпителия кишечника плавающего головастика. Ядра яйцеклеток реципиентов он не удалял хирургическим путем, а разрушал ультрафиолетовыми лучами. В большинстве случаев реконструированные яйцеклетки не развивались, но примерно десятая часть их них образовывала эмбрионы. 6,5% из этих эмбрионов достигали стадии бластулы, 2,5% – стадии головастика и только 1% развился в половозрелых особей. Однако появление нескольких взрослых особей в таких условиях могло быть связано с тем, что среди клеток эпителия кишечника развивающегося головастика довольно длительное время присутствуют первичные половые клетки, ядра которых могли быть использованы для пересадки. 
         Затем Гердон вместе с Ласки (1970 г.) стали культивировать вне организма в питательной среде клетки почки, легкого и кожи взрослых животных и использовать уже эти клетки в качестве доноров ядер. Примерно 25% первично реконструированных яйцеклеток развивалось до стадии бластулы. При серийных пересадках они развивались до стадии плавающего головастика. Таким образом, было показано, что клетки трех разных тканей взрослого позвоночного (южноафриканская жаба) содержат ядра, которые могут обеспечить развитие, по крайней мере, до стадии головастика, т.е. было доказано, что в случае с амфибиями донорами ядер могут быть лишь зародыши на ранних стадиях развития. Некоторые авторы называют подобные эксперименты клонированием амфибий, хотя правильнее называть их клонированием эмбрионов амфибий, так как в этом случае мы размножаем бесполым путем не взрослых животных, а зародышей. 
           Дифференцировка клеток в ходе развития позвоночных сопровождается инактивацией неработающих генов. Поэтому клетки теряют тотипотентность, дифференцировка становится необратимой. В конце концов, у одних клеток происходит полное репрессирование генома, у других – в той или иной степени деградирует ДНК, а в некоторых случаях разрушается даже ядро.  
Из изложенного видно, что первые опыты по клонированию живых организмов давались нелегко. Как известно, клетки животных существенно отличаются от клеток растений тем, что первые, дифференцируясь, лишаются тотипотентности. И именно это является главным препятствием для клонирования взрослых позвоночных животных. 
           Следует отметить, что говорить о клонировании самого человека можно лишь сугубо теоретически. В сущности, речь идет даже не о клонировании, а о получении копии отдельного индивида, поскольку термин «клонирование» предполагает получение некоего множества особей. Но слово уже прижилось, поэтому имеет смысл пользоваться им по-прежнему. Очевидно, что сегодня вероятность отрицательных последствий этой процедуры значительно перевешивает ее выгоды, поэтому работы по клонированию человека как в настоящее время, так и в ближайшем будущем проводить нецелесообразно. 
            Значение и этические проблемы клонирования. Уже долгое время клонирование вызывает множество вопросов у мировой общественности. Этические проблемы клонирования необходимо рассматривать многосторонне. 
Работы с домашними животными очень важны с практической точки зрения. Клонирование ценных трансгенных животных может быстро и экономично обеспечить человечество новыми лекарственными препаратами, содержащимися в молоке специально полученных для этого генноинженерными методами овец, коз или коров. Клонирование высокопродуктивных домашних животных, в частности молочных коров, может произвести буквально революцию в сельском хозяйстве, так как только этим методом можно создать не отдельные экземпляры, а целые стада элитных коров-рекордисток. Это же относится и к размножению выдающихся спортивных лошадей, ценных пушных зверей, сохранению редких и исчезающих животных в природных популяциях и т.д. 
              Новые технологии, без сомнения, приносят пользу человечеству, и их необходимо всячески поощрять. Запреты нужны в тех крайних случаях, когда явно просматривается вред или ущерб для здоровья и благополучия людей. Пока клонирование человека можно отнести к этому разряду. Нравственная сторона проблемы, тем не менее, уже стоит в полный рост. Безудержно оптимистическую позицию занимают только люди, плохо знающие вопрос. Тем, кто знает его достаточно ясно: переносить еще не решенную методически научную разработку на человека безнравственно. Федерация научных обществ экспериментальных биологов США – а это более 52 тыс. членов – в октябре 1997 г. объявила пятилетний мораторий на эксперименты по клонированию человека. Ведь они подразумевают участие множества конкретных людей, которые захотят дать свои клетки, и суррогатных матерей, которые должны будут выносить плод. А если так велико количество повреждений эмбрионов и мертворождений, если неясен вообще конечный результат, этично ли даже говорить о переносе эксперимента на живых людей? Более того, найдутся безнравственные люди, которые под маркой помощи бесплодным парам, к примеру, начнут выманивать большие деньги, что скомпрометирует саму идею, научный поиск. 
              Возможно, что в будущем, когда проблема будет полностью решена методически, человечество признает клонирование как метод помощи бесплодным парам, стремящимся иметь родного им ребенка. Хотя скорее надо будет говорить не о ребенке как таковом, а об однояйцовом близнеце отца или матери, каким будет клонированный ребенок в биологическом смысле. Но тогда тем более потребуется заранее решить этические и юридические вопросы, как это было в случае трансплантации органов во многих странах мира. Нормы биоэтики выдвигаются сейчас на первый план. Те нравственные заповеди, которыми человечество пользуется века, к сожалению, не предусматривают новых закономерностей и возможностей, какие вносит в жизнь наука. Поэтому людям и необходимо обсуждать и принимать новые законы общежития, учитывающие новые реальности. 
                Наибольшие протесты, естественно, вызывают исследования по клонированию человека. Во-первых, становление человека как личности базируется не только на биологической наследственности, оно определяется также семейной, социальной и культурной средой. При клонировании индивида невозможно воссоздать все те условия воспитания и обучения, которые сформировали личность его прототипа (донора ядра). Во-вторых, при бесполом размножении изначально жесткая запрограммированность генотипа предопределяет меньшее разнообразие взаимодействий развивающегося организма с изменяющимися условиями среды (по сравнению с половым размножением, когда в формировании индивида участвуют два генома, сложным и непредсказуемым образом взаимодействующие между собой и с окружающей средой). В третьих, все религиозные учения настаивают на том, что появление человека на свет – в руках божественных сил, что зачатие и рождение должны происходить естественным путем.  

 

 

 

4. Проблемы генетики

 

Развитие генетики в значительной степени приостановила «холодная  война» прошлого столетия, в результате которой многие ученые-генетики были арестованы, а некоторые расстреляны, так как политики считали, что  ученые в силах создать нового сверхчеловека, который смог бы поработить мир. Их опасения были не напрасны, так  как в тот период существовала такая наука как «евгеника». Евге́ника (от греч. ευγενες — «хорошего рода», «породистый») — учение о селекции применительно к человеку, а также о путях улучшения его наследственных свойств. Учение призвано бороться с явлениями вырождения в человеческом генофонде.

Реализация идеи клонирования может стать разрушительной для  общества. Клонирование в еще большей  степени, чем иные репродуктивные технологии, открывает возможность манипуляции  с генетической составляющей личности и способствует ее дальнейшему обесцениванию. Человек не вправе претендовать на роль творца себе подобных существ  или подбирать для них генетические прототипы, определяя их личностные характеристики по своему усмотрению. Замысел клонирования является несомненным  вызовом самой природе человека, свободе и уникальности личности. «Тиражирование» людей с заданными  параметрами может представляться желательным лишь для приверженцев тоталитарных идеологий. Клонирование человека способно извратить естественные основы деторождения, кровного родства, материнства и отцовства. Ребенок  может стать сестрой своей  матери, братом отца или дочерью  деда. Крайне опасными являются и психологические  последствия клонирования. Человек, появившийся на свет в результате такой процедуры, может ощущать  себя не самостоятельной личностью, а всего лишь «копией» кого-то из живущих или ранее живших людей. Необходимо также учитывать, что  «побочными результатами» экспериментов  с клонированием человека неизбежно  стали бы многочисленные несостоявшиеся жизни и, вероятнее всего, рождение большого количества нежизнеспособного  потомства. Вместе с тем, клонирование изолированных клеток и тканей организма  не является посягательством на достоинство  личности и в ряде случаев оказывается  полезным в биологической и медицинской  практике. 
          У Православной Церкви те же мотивы для отторжения клонирования, что и у большинства людей. Во-первых, люди вмешиваются в ту сферу, о которой знают слишком мало. Во-вторых, нам неизвестно, каковы будут взаимоотношения между клонированными людьми и появившимися на свет естественным путем. Специфически христианских аргументов у Церкви против клонирования не имеется.  
           В реакции католического мира на клонирование гораздо больше специфически конфессионального, чем в реакции мира православного. Для католиков клонирование ставит серьезную богословскую проблему: будет ли наследоваться первородный грех людьми, появившимися на свет без полового акта, а если будет, то, как он будет им передаваться. 
           Еще один вопрос состоит в том, будет ли человеком клонированное существо? В церковной письменности порой высказывались мнения, будто души детей содержатся в семени отца (теория традуционизма). Согласно ей уже в семени Адама были души всех нас. Все мы были в Адаме, когда он грешил, и потому мы тоже совиновны в том грехе... Соответственно ребенок, ведущий происхождение не от семени отца, а от его соматической клетки, не будет обладать душой. Но и это точка зрения, воспринятая более католичеством, нежели православием. В православном понимании душа человека, его личность, творится Богом. Родители дают лишь тело. Поэтому вопрос для богослова здесь лишь в одном: пожелает ли Господь соединить с эмбрионом, полученным в результате клонирования, человеческую душу. Поскольку это вопрос о воле Бога – заранее ответа быть не может.

В настоящее время найдены  подходы к решению вопроса  об организации наследственного  кода и экспериментальной его  расшифровке. Генетика совместно с  биохимией и биофизикой вплотную подошла к выяснению процесса синтеза белка в клетке и искусственному синтезу белковой молекулы. Этим начинается совершенно новый этап развития не только генетики, но и всей биологии в целом. 
Развитие генетики до наших дней – это непрерывно расширяющийся фонт исследований функциональной, морфологической и биохимической дискретности хромосом. В этой области сделано уже много сделано, и с каждым днем передний край науки приближается к цели – разгадки природы гена. К настоящему времени установлен целый ряд явлений, характеризующих природу гена. Во-первых, ген в хромосоме обладает свойством самовоспроизводится (авторепродукции); во-вторых, он способен мутационно изменяться; в-третьих, он связан с определенной химической структуры дезоксирибонуклеиновой кислоты – ДНК; в-четвертых, он контролирует синтез аминокислот и их последовательностей в белковой молекулы. В связи с последними исследованиями формируется новое представление о гене как функциональной системе, а действие гена на определение признаков рассматривается в целостной системе генов – генотипе. 
           Раскрывающиеся перспективы синтеза живого вещества привлекают огромное внимание генетиков, биохимиков, физиков и других специалистов.

 

 

Заключение

 

Изучение генетики человека, несмотря на всю сложность, важно  не только с точки зрения науки. Трудно переоценить и прикладное значение проводимых исследований.

Достижения в этой области  оказывают заметное влияние на другие отрасли наук о человеке – медицину, психиатрию, психологию, педагогику.

В частности, велика роль развивающейся  генетики человека в решении проблем  наследственных болезней. Современные  данные свидетельствуют, что человеком  наследуются многие болезни, такие, как несвертываемость крови, цветовая слепота, ряд психических заболеваний. Кроме того, генетика человека призвана решать и другие вопросы.

Значение развития генетики человека очевидно. Можно с полной уверенностью сказать, что, например, в молекулах ДНК клеток человека запрограммирована генетическая информация, контролирующая каждый миг нашей жизни. Это касается здоровья, нормального развития, продолжительности жизни, наследственных болезней, сердечно-сосудистых заболеваний, злокачественных опухолей, предрасположенности к тем или иным инфе6кционным заболеваниям, старости и даже смерти.

Если выделить из ядра одной  клетки человека все генетические молекулы ДНК и расположить их в линию  одна за другой, то общая длина этой линии составит семь с половиной  сантиметров. Такова биохимическая  рабочая поверхность хромосом. Это  сконцентрированное в молекулярной записи наследие веков прошедшей  эволюции.

Правильно и образно сказал об этом в свое время в романе «Лезвие бритвы» писатель Иван Ефремов: «Наследственная память человеческого  организма – результат жизненного опыта неисчислимых поколений, от рыбьих наших предков до человека, от палеозойской эры до наших дней. Эта инстинктивная  память клеток и организма в целом  есть тот автопилот, который автоматически  ведет нас через все проявления жизни, борясь с болезнями, заставляя  действовать сложнейшие автоматические системы нервной, химической, электрической  и невесть какой еще регулировки.  Чем больше мы узнаем биологию человека, тем более сложные системы  мы в ней открываем».

Исследования последних  лет доказали, что любая живая  клетка, в том числе и клетка человеческого организма, представляет собой целостную систему, все  составные элементы которой обнаруживают тесное взаимодействие между собой  и окружающей средой, оказывающей  на гены огромное влияние. Поэтому различают  два понятия: генотип – комплекс всех наследственных фактов – генов, получаемых потомками от родителей, и фенотип – совокупность признаков, возникающих при взаимодействии генотипа и внешней среды.

Следовательно,  в формировании фенотипа важны как генотип, так  и внешняя среда, в которой  происходит развитие особи. Без этого  взаимодействия невозможна была бы жизнь, связанная с реализацией генетической информации, заключенной в нуклеиновых  кислотах.

Закономерности генетики в большинстве случаев носят  универсальный характер. Они одинаково  важны для растений, для животных. Велико их значение и для человека.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы

 

1.ГЕНЕТИКА И НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ. Сборник статей. Г.34. Пер. с франц.  М.: Мир. 2003 г.

2.ОБЩАЯ ГЕНЕТИКА. Алихонян С. И. И др. М.: Высшая школа. 1985 г.

3.ГЕНЕТИКА ВЧЕРА, СЕГОДНЯ  И ЗАВТРА.  Дубинин Н.П. М.: Россия. 2007 г.

4.  БИОЛОГИЧЕСКИЙ ЭНЦЕКЛОПЕДИЧЕСКИЙ  СЛОВАРЬ.

5. БОТАНИКА: Морфология и  анатомия растений. Васильев А.Е.  М.: Просвещение. 1998 г.