Использование новых технологий в создании генетически рекомбинантных организмов в хозяйственной деятельности человека

• Рекомбинантная структура — гибридная ДНК/РНК/белок, полученная объединением чужеродных фрагментов in vitro.
• Рекомбинация — обмен генетическим материалом (у эукариот — кроссинговер, у прокариот — конъюгация, трансформация, трансдукция).
• Генная инженерия использует рестриктазы (разрезают ДНК) и лигазы (сшивают фрагменты).
• Этапы: выделение целевого гена, встраивание в вектор, введение в реципиент, скрининг.
• Применение: производство ферментов, гормонов, интерферонов, антибиотиков, ГМ-растения, трансгенные животные, генная терапия, рекомбинантные вакцины.

Рекомбинантная структура ‒ гибридная нуклеиновая кислота (ДНК или РНК) или белок, полученные в результате объединения in vitro чужеродных фрагментов и содержащие новые сочетания последовательностей нуклеотидов или аминокислот соответственно.

Рекомбинация ‒ процесс обмена генетическим материалом путем разрыва и соединения разных молекул нуклеиновых кислот, т. е. перераспределение генетического материала, приводящее к созданию новых комбинаций генов.

В естественных условиях рекомбинация у эукариот ‒ обмен участками хромосом в процессе клеточного деления. У прокариот рекомбинация осуществляется при передаче ДНК путем конъюгации, трансформации или трансдукции, либо в процессе обмена участками вирусных геномов.

Методы генной инженерии значительно расширили возможности рекомбинационных обменов и позволяют, в отличие от естественной рекомбинации, получать гибридные молекулы нуклеиновых кислот, содержащие практически любые чужеродные фрагменты.

Суть этой технологии заключается в соединении фрагментов ДНК in vitro с последующим введением рекомбинантных генетических структур в живую клетку. Генно-инженерные манипуляции стали возможны после открытия рестриктаз (ферментов, разрезающих ДНК строго в определенных участках) и лигаз (ферментов, сшивающих двухцепочечные фрагменты ДНК). С помощью этих ферментов получают определенные фрагменты ДНК и соединяют их в единое целое.

Техника генной инженерии включает несколько последовательных процедур:

 выделение нужного (целевого) гена;  встраивание его в генетический элемент, способный к репликации (вектор);  введение вектора в организм-реципиент;  идентификация (скрининг) и отбор клеток, которые приобрели желаемый ген или гены.

Рекомбинантные структуры нашли широкое применение в промышленной биотехнологии, включая производство ферментов, гормонов, интерферонов, антибиотиков, витаминов и многих других продуктов для фармакологии и пищевой промышленности, на получение которых ранее затрачивалось много времени и средств. Методом рекомбинантных ДНК были получены генетически модифицированные растения и трансгенные животные, обладающие новыми полезными для человека свойствами. Рекомбинантные структуры используются в медицине в методах генной терапии, диагностике и создании рекомбинантных вакцин.

Эволюция представлений ученых о генах

Изначально термин ген появился как теоретическая единица передачи дискретной наследственной информации. Считали, что такими носителями могут быть только белки, так как их строение (20 аминокислот) позволяет создать больше вариантов, чем строение ДНК, которое составлено всего из 4 видов нуклеотидов. Позже было экспериментально доказано, что именно ДНК включает в себя наследственную информацию, что было выражено в виде центральной догмы молекулярной биологии.

Ген ‒ структурная и функциональная единица наследственности, контролирующая развитие определенного признака или свойства. Совокупность генов родители передают потомкам во время размножения.

В 1854 Грегор Мендель начал серию экспериментов на семенах гороха, с целью установить закономерность наследственной передачи признаков. Он впервые предложил теорию о наличии факторов, которые передаются от родителей к потомкам. В результате экспериментов по скрещиванию он пришел к выводам, что определенные признаки передаются независимо, а также, что существуют доминантные и рецессивные признаки. Он разработал гипотезу, что существуют гомозиготные и гетерозиготные состояния, заложив фундамент для распознавания различия генотипа и фенотипа. Позже его открытия были сформулированы в законах Менделя.

1900 считается годом "переоткрытия" законов Менделя, когда ботаники Хуго де Фриз, Эрих Чермак и Карл Корренс поняли, что существует количественная закономерность наследования факторов, отвечающих за проявление признаков у потомков.

Термин "ген" был предложен в 1909 датским ученым Вильгельмом Йохансеном для описания наследственного фактора. Очевидно, что это производное срок от слова генетика, который уже раньше, в 1905 году был предложенный Уильямом Бэтсоном с греческого genetikos. В то время химическая природа гена оставалась полностью неизвестной. Хотя хромосомы в то время были уже описаны, лишь в 1910 году работами Томаса Моргана была доказана связь между хромосомами и наследственностью.

Моргану также удалось построить первую генетическую карту. Тк под микроскопом уже наблюдали кроссинговер, то рассчитали, что чем ближе два гена расположены друг к другу, тем он реже. Стало возможным рассчитать расстояние между генами на хромосоме (морганиды).

В 1927 году работы Герман Мюллера по облучению дрозофил рентгеновским излучением показали количественную зависимость между дозой и мутагенным эффектом→ гены являются физическим объектам, на которые возможно воздействие извне. Термин мутация вошел в научный лексикон.

В 1928 году Фредерик Гриффит установил, что гены могут передаваться от одних организмов к другим. Живой невирулентных штамм Streptococcus pneumoniae при смешивании с убитым вирулентным штаммом приобретал вирулентных свойств. В 1944 году Освальдом Авери, Колином Маклеодом и Маклин Маккарти установлено, что вирулентный фактор находился в ДНК убитых бактерий, а процесс генетической информации названотрансформацией. Окончательно доказано, что ДНК носитель генетической информации. В 1941 году Джордж Бидл и Эдуард Тейтем установили, что дефекты в обмене веществ связана с мутациями определенных генов. Сформулирована концепция «один ген - один фермент», которая позже уточнилась в "один ген - один полипептид".

В 1953 году Джеймс Ватсон и Фрэнсис Крик, основываясь на рентгенограммах, полученных Розалинд

Франклин, открыли структуру ДНК. Сформулированная центральная догма молекулярной биологии.

В 1972 году Вальтер Фриз (Бельгия) опубликовал первую геномной последовательности гена, кодирующего белок оболочки бактериофага MS2 [1].

Современная формулировка гена - "дискретная участок геномной последовательности, соответствующей единицы наследственности и ассоциирована с регуляторными регионами, транскрибованих регионами и другими фунциональном геномными последовательностями".

У подавляющего большинства живых организмов гены закодированы в цепях ДНК. ДНК → полимер из 4 типов нуклеотидов, каждый из которых состоит из моносахарида класса пентоз (2'-дезоксирибозы), фосфатной группы и одного из четырех азотистых оснований: аденина (А), цитозина (Ц), гуанина (Г) и тимина (Т).

Наиболее распространенной формой ДНК в клетке является структура в форме правой двойной спирали из двух отдельных нитей ДНК. Азотистые основания одной из цепей соединены с азотистыми основаниями другой цепи водородными связями согласно принципу комплементарности: аденин соединяется только с тимином (два водородных связи), гуанин - только с цитозином (три водородных связи).

Благодаря химическим особенностям связи между пентозном остатками нуклеотидов, ДНК имеют полярность. Один конец ДНК-полимера заканчивается 3-гидроксильной (3-ОН) группой дезоксирибозы и называется 3 '(три-прайм), а другой - 5-фосфатной группой (5-РО3) и называется 5 "(пять-прайм). Полярность цепочки играет важную роль в клеточных процессах. Например, при синтезе ДНК удлинение цепочки возможно только путем присоединения новых нуклеотидов к свободному 3 'конца.

На молекулярном уровне ген состоит из двух структурных участков:

1. ДНК участка, из которой вследствие транскрипции считывается одноцепная РНК -копия.
2. Дополнительные ДНК участки, которые задействованы в регуляции копирования. Например, промотор

и энхансеры.

Типовому гена эукариот предшествует регуляторная ДНК участок - промотор, к которому присоединяются энзим РНК-полимераза и факторы транскрипции и обеспечивают процесс транскрипции. Типичный транскрипт гена (пре-мРНК) содержит некодирующие участки интроны, которые вырезаются при сплайсинга, а экзоны сшиваются друг с другом в зрелуюм РНК.