Вопрос 3. Клонирование. Генная инженерия

 Генетическая инженерия (генетическая инженерия), совокупность методов молекулярной генетики, направленных на искусственное создание новых, не встречающихся в природе сочетаний генов. Те или иные чужеродные для данного организма гены вводят в его клетки и встраивают в его геном с различными целями: для изучения строения и функций генетического аппарата, для эффективной наработки продукта данного гена (напр., гормона или антибиотика), для придания организму-хозяину каких-либо желаемых свойств (напр., для сельскохозяйственных растений и животных – большей продуктивности или большей устойчивости к инфекциям или паразитам), для замещения (компенсации) генов, дефекты которых вызывают наследственные заболевания, и др.

Генно-инженерная технология использует всё разнообразие сложных и тонких методов современной генетики, позволяющих работать с ничтожными количествами генетического материала. Основные этапы и операции генной инженерии включают: выделение из клеток ДНК, содержащей нужный ген; разрезание ДНК на мелкие фрагменты с помощью специальных ферментов; соединение фрагментов ДНК с т. н. векторами, обеспечивающими проникновение в клетку; клонирование (размножение) нужного гена; создание рекомбинантной (гибридной) ДНК из участков ДНК (генов) разного происхождения; введение (микроинъекция) генетического материала в культивируемые клетки организма-хозяина или в его яйцеклетку.

После того как в нач. 70-х гг. 20 в. был разработан метод получения рекомбинантных ДНК, чужеродные гены стали вводить в клетки бактерий, растений и животных. Такие организмы получили название трансгенных. Очень быстро генная инженерия нашла практическое применение как основа биотехнологии. Уже в 80-е гг. 20 в. с помощью бактериальных клеток, в которые вводили гены человека, ответственные за синтез гормонов инсулина и соматотропина и антивирусного белка интерферона, было налажено производство этих важных для медицины препаратов. В мощную индустрию превратилось получение и разведение используемых в сельском хозяйстве трансгенных растений и трансгенных животных.

Большинство учёных связывает с развитием генной инженерии решение таких сложных проблем, как обеспечение человечества продовольствием и энергией, успешную борьбу с болезнями и с загрязнением окружающей среды. Вместе с тем высказываются опасения, что ничем не ограниченные генетические эксперименты и широкое использование в пищу трансгенных организмов может привести к непредсказуемым последствиям и спорно с точки зрения традиционной морали и этики.

На основе глубокого познания молекулярно-биологических механизмов передачи и реализации наследственного материала возник новый раздел молекулярной генетики - генетическая инженерия. Последняя ставит перед собой задачи целенаправленного изменения наследственности живых организмов или созданияinvitro новых комбинаций генетического материала, способного обеспечить синтез необходимых продуктов или заданные фенотипические характеристики организма. Академик А. А. Баев определил генетическую инженерию как отрасль генетики, целью которой является создание искусственных генетических программ. Генетическая инженерия берёт начало с 1972 года, когда в лаборатории американского биохимика П. Берга (Стэнфордский университет, США) была получена первая гибридная (рекомбинантная) ДНК\ в которой были соединены фрагменты ДНК фага лямбда (X) и кишечной палочки с кольцевой молекулой ДНК обезьяньего вируса SV40.

Ключевое значение для конструирования гибридной ДНК имеют ферменты- рестриктазы, рассекающие молекулу ДНК клетки-реципиента (хозяина) на фрагменты по строго определённым местам, а также ДНК-лигазы, соединяющие фрагменты ДНК в единую гибридную молекулу. Последняя представлена кольцевидной структурой, содержащей:

1) ДНК клетки реципиента;

2) введённые гены или ген-объект генетических манипуляций;

3) вектор - фрагмент ДНК, обеспечивающий введение гена в клетку, размножение гибридной ДНК и синтез конечных продуктов деятельности генетической системы - белков. Вектор включает участки начала репликации (обеспечивающие размножение ДНК), генетические маркёры (необходимые для селекции ДНК), регуляторные участки (ген-оператор) и др. Система «вектор-хозяин» не может быть произвольной, вектор «подгоняется» к клетке хозяина, его выбор зависит от видовой специфичности. Обычно векторы получают из плазмид кишечной палочки, фага лямбда, вирусов SV40 и полиомы дрожжей. В качестве клетки-реципиента чаще всего используют кишечную палочку, а также другие бактерии, дрожжи, животные и растительные клетки.

Разработки генетической инженерии требуют большой осторожности. Существует опасность биологической катастрофы из-за придания микроорганизмам, которые обычно безвредны для человека, патогенных свойств. На международной конференции в г. Асиломаре (США) в 1975 году были выработаны требования к применению методов генетической инженерии. Рекомендовано, в частности, в качестве клеток-реципиентов использовать штаммы бактерий, которые при температуре человеческого тела погибают (так называемые «саморазрушающиеся бактерии»).

Достижения генетической инженерии широко используются в биотехнологиях: получение микроорганизмов, синтезирующих биологически активные вещества для медицины, микробиологической и биохимической промышленности. Так, получены штаммы кишечной палочки, вырабатывающие соматостатин и инсулин человека, которые используются при лечении сахарного диабета. Большие надежды возлагаются на применение методов генетической инженерии для познания структуры и функционирования генетического аппарата в целом, лечения наследственно обусловленных нарушений обмена веществ и т.п.

Клонирование.

В 1996 году весь мир был взбудоражен новостью об овечке Долли. В результате экспериментов, выполненных под руководством Яна Уилмута, родилась овца, генетически идентичная взрослой овце. В норме (см. Законы Менделя) особь вырастает из одной оплодотворенной яйцеклетки, получив половину генетического материала от одного родителя и вторую половину — от второго. При клонировании же генетический материал берут из клетки одной живущей особи. Делается это так: из одной оплодотворенной клетки (зиготы) удаляют ядро (в котором находится ДНК). Затем извлекают ядро из клетки взрослой особи этого же вида и имплантируют его в лишенную ядра зиготу. Это яйцо имплантируют в матку самки данного вида и дают ему возможность расти, пока не придет время родов.

Сенсационность клонирования, принесшая Яну Уилмуту и Долли мировую известность, заключается в характере изменений клеточной ДНК по мере развития эмбриона. В начале в зиготе «включены» все гены, другими словами, все они могут работать. Однако в определенные сроки клетки становятся специализированными — в них отключаются разные гены, и их эффект больше не проявляется (на языке генетиков это называется «они не могут экспрессироваться»). Например, в каждой клетке вашего организма есть гены, отвечающие за синтез инсулина, но при этом инсулин вырабатывается только определенными участками поджелудочной железы. Во всех остальных клетках вашего тела (например, в клетках кожи, нервных клетках головного мозга) ген инсулина отключен.

Очевидно, что в ДНК, имплантированной в оплодотворенную яйцеклетку, какие-то гены уже отключены; какие именно и в какой последовательности — определяется тем, из какого органа взрослой особи была получена клетка. Оказывается, оплодотворенное яйцо — мы до конца не понимаем, как это происходит — способно вновь установить часы клетки на «0», т. е. вновь включить все гены, благодаря чему становится возможным нормальное развитие эмбриона. В этом суть великого открытия Уилмута.

Не все попытки клонирования оказываются успешными. Одновременно с Долли эксперимент по замене ДНК был проведен на 273 других яйцеклетках, и лишь в одном случае выросло живое взрослое животное. После Долли были клонированы многие виды млекопитающих, назовем лишь некоторых — корова, мышь и свинья. Из яйцеклетки мыши получено несколько поколений клонированных животных — клоны, клоны из клонов, клоны из клонов и т. д.

Серьезнейшие разногласия вызвала возможность применения данной технологии к человеку. С одной стороны, новая технология несет ужасающую угрозу нравственности, поэтому клонирование человека надо запретить. С другой стороны, благодаря этой технологии много бесплодных супружеских пар получают шанс иметь биологически родственных им детей, и значит, по мнению многих, это вполне этично.

Пока споры продолжаются, обратим внимание на один важный аспект. С технической точки зрения, клон, каким является Долли, всего лишь особь, ДНК которой идентична ДНК другой особи. Нам нередко приходится сталкиваться с особями, имеющими идентичную ДНК — мы называем их близнецами. Клон — это просто-напросто близнец, родившийся на несколько лет или десятилетий позже — «асинхронный близнец». Так же как нам никогда не пришло бы в голову ожидать, что один близнец может отдать другому свое сердце для пересадки, перспектива выращивания клонов для заготовки пересаживаемых органов — лишь страшный сон, который никогда не станет явью. Я на собственном опыте убедился, что стоит заменить слово «клон» на «близнец», как дебаты по клонированию человека утрачивают пафос.