Тема 6. Генная инженерия бактерий, высших растений и области ее применения

1. Нуклеиновые кислоты и факторы наследственности у животных организмов.

2. Генная инженерия бактерий.

3. Генная инженерия растений.

4. Получение трансгенных растений.

5. Получение трансгенных животных.

1.Нуклеиновые кислоты и факторы наследственности у живых организмов

Важнейшим компонентом всех живых организмов являются нуклеиновые кислоты: рибонуклеиновые и дезоксирибонуклеиновые кислоты. Нуклеиновые кислоты состоят из моносахаридов (рибозы и дезоксирибозы) и пуриновых (аденин, гуанин) и пиримидиновых (цитозин, урацил, тимин) азотистых оснований. В состав рибонуклеиновой кислотывходит рибоза, аденин, гуанин, цитозин, ура­цил, дезоксирибонуклеиновой- дезоксирибоза, аденин, гуанин, цитозин, тимин. Нуклеиновые кислоты состоят из компонентов, называемых нуклеотидами. Каж­дый нуклеотид содержит азотистое основание, моносахариды, фосфорную кисло­ту. Нуклеотиды образуют полинуклеотидную цепь. Нуклеиновые кислоты (ДНК) могут быть одно- и двухцепочечные. ДНК, за редким исключением, двухцепочечные. РНК, за редким исключением, одноцецочечные. При этом азотистые ос­нования располагаются внутри спирали. С помощью водородных связей они об­разуют специфические пары

А-Т, Г-Ц - ДНК

А-У, Г-Ц – РНК

Важнейшая функция РНК - участие в процессе синтеза белков в клетке, ДНК - определение специфичности и передача единиц наследственности. РНК -информационная(несет информацию ДНК о первичной структуре белка), транспортная(транспортирует аминокислоты в рибосомы), рибосомная (образу­ет рибосомы, собирает белки), ядерная (4-10% от общей). Подавляющая часть ДНК сосредоточена в ядре, в цитоплазме эукариот содержится менее 1 % всей ДНК клетки. ДНК эукариот почти вся находится в хромосомах ядер, лишь не­большое ее количество содержится в митохондриях, а у растений и в плазмидах. Суммарный материал хромосом - хроматин. Каждая хромосома состоит из цен­тральной нити (хромонемы), вдоль которой расположены четкообразные струк­туры (хромомеры). Число хромосом колеблется от одной до 100, чаще 10-50. У эукариот хромосомы всегда парные, по две каждого сорта. Наследственными факторами или единицами наследственности у живых организмов являются гены, которые лежат в хромосомах в линейном порядке. Число генов в одной клетке человека находится в пределах между 5 и 125 тысячами. Бактерии содержат по одной хромосоме в форме замкнутой в виде кольца нити, состоящей из двухцепочной ДНК и не имеющей ядерной оболочки. В цитоплазме многих бактерий кроме хромосомной ДНК содержатся добавочные маленькие кольца ДНК, при­сутствие которых необязательно. Они получили название плазмид. Плазмиды не­сут информацию для 2-200 белков. Плазмидная ДНК составляет 1-15% от хромо­сомной ДНК бактерий. Плазмиды способны автономно размножаться и стабиль­но наследуются. Некоторые плазмиды способны включаться в хромосому бактерий. В одной клетке бактерий мелких плазмид - несколько десятков, крупных -одна или две.

Генная инженерия бактерий

Генетическая рекомбинация заключается в обмене генами между двумя хромосомами. Обмен генами и введение в клетку гена, принадлежащего другому виду, можно осуществить посредством генетической рекомбинации. Этот подход был разработан на бактериях, в частности на кишечной палочке, в клетки которой вводили гены животных, человека и добивались их репликации (раз­множения). Выделение фрагментов ДНК в хромосомах, несущих гены с необхо­димыми свойствами, производят с помощью вырабатываемых клетками бактерий ферментов рестрикции (рестриктаз).В клетках кишечной палочки и других бак­терий были обнаружены ферменты, разрезающие на куски ДНК вирусов и других фагов (там где расположены специфические последовательности нуклеотидов), и тем самым защищающие клетку от разрушения.

Рестриктазыраспознают в ДНК специфичные для них участки длиной в 4-6 пар нуклеотидов и разрезают обе цепи ДНК посередине этих участков или с некоторым смещением. В первом случае образуются обрывки с ровными (тупы­ми) концами, во втором - стороны оборванных цепочек ДНК чуть-чуть заходят одна за другую. Такие концы называются липкими, они могут слипаться между собой в силу комплиментарности.

Скрепить липкие концы помогает ДНК-лигаза,сшивающая фосфодиэфирные связи.

Для кодирования среднего белка из 400 аминокислот нужен участок ДНК длиной 1200 пар нуклеотидов. В России и за рубежом из различных бактерий выделено несколько сотен рестриктаз, разрезающих ДНК в строго определенных местах, там, где фермент прикреплялся. При этом было установлено, что концы фрагментов ДНК, полу­ченные с помощью обработки хромосом одной и той же рестриктазой, способны слипаться между собой в силу комплиментарности. Две совершенно не схожие между собой последовательности ДНК (например, слона и лягушки) образуют одинаковые липкие концы, если эти ДНК обработать одной и той же рестрикта­зой. В настоящее время известно более 500 рестриктаз, способных рубить ДНК в120 различных последовательностях. Это дало возможность получать фрагменты ДНК, содержащие желаемые гены. Участки ДНК, разрезаемые рестриктазами, несложно разделить с помощью электрофореза. ДНК, обработанную рестриктазой, вводят в гель агарозы, помещенной в электрическое поле. Под действием электрического поля фрагменты ДНК начинают перемещаться в пористом геле. Короткие фрагменты движутся быстрее, чем длинные, они отделяются друг от друга, не повреждаются и не утрачивают биологических свойств. Скрепить сце­пившиеся липкие концы фрагментов разных ДНК помогает фермент ДНК-лигаза.Она сшивает фрагменты с образованием полной структуры двойной спи­рали ДНК.

Следующей задачей было создание функционально активных, способных реплицироваться гибридных ДНК. С этой целью интересующий фрагмент ДНК включают в состав вектора, с помощью которого он может быть размножен. Век­тор- это молекула ДНК, способная переносить в клетку чужеродную ДНК любо­го происхождения и обеспечивать там ее размножение. Клетки, в которые вектор переносит вшитый в него ген, получили название реципиентов.

В качестве векторов чаще всего используют плазмиды бактерий. Главное свойствоплазмид состоит в их способности реплицироваться независимо от хромосомы. По размеру ДНК плазмиды в 100 раз меньше ДНК бактериальной хромосомы. В плазмиде таких размеров все же может разместиться до сотни ге­нов.

Плазмиды повышают устойчивость бактерий к внешним факторам, защищают их от неблагоприятных воздействий.

Выяснилось, что многие мелкие плазмиды содержат по одному участку для нескольких рестриктаз. Каждая такая рестриктаза не разорвет плазмиду на не­сколько мелких кусков, а лишь разрежет кольцо плазмидной ДНК и переведет ее в линейное состояние. Первая такая плазмида была открыта английским ученым Стэнли Коуэном в 1974 г.,которую он назвал своим именем.Она само­стоятельно размножается. Концы ее способны слипаться между собой или с лю­быми фрагментами другой ДНК, получаемыми под действием той же рестриктазы. Несет ген устойчивости к тетрациклину и легко обнаруживается при выращи­вании на среде с антибиотиком.

Следующая проблема - заставить клетку воспринять рекомбинантную ДНК. Объектом первых опытов по генной инженерии была избрана кишечная палочка Е.сoli.Клетки кишечной палочки выдерживают на холоде в растворе кальция, затем подвергают «тепловому шоку». После этого клеточная мембрана становится проницаемой для поступления извне молекул ДНК. В плазмиду была включена группа генов из хромосомы Е.сoli,ответственных за синтез аминокис­лоты триптофана. Когда в клетки Е.сoliввели гибридную ДНК, они стали выра­батывать столько ферментов, участвующих в биосинтезе этой аминокислоты, что бактерии превратились в фабрику по производству триптофана.

Помимо плазмид, в качестве векторов стали использовать и ДНК вирусов, размножающихся в клетках бактерий. Клетка, получившая гибрид­ную ДНК, размножившись, образует клон. Это открыло путь для производства различных белков, лекарственных препаратов, гормонов, путем искусственногосинтеза их генов и вставки их в клетки с помощью плазмид. Важнейший из них -инсулин, получаемый из поджелудочной железы свиней.

Генная инженерия растений

Перед учеными встала новая задача - как ввести интересующие нас гены в растительную клетку, тем самым получить растения с необходимыми признаками и свойствами. С этой целью были использованы клетки корончатых галлов - опу­холей растений, образующихся на прикорневой части стебля у корневой шейки (отсюда название - корончатый), на подземных (яблоня) и надземных (виноград) частях растений, у прививок в месте стыка привоя с подвоем. Корончатые галлы - настоящая злокачественная опухоль. Их клетки способны распространяться по растению от первичного очага и давать начало вторичным опухолям - метаста­зам. Болезнь поражает свыше 600 видов преимущественно двудольных растений. Возбудителем болезни оказалась бактерия, выделенная из опухоли винограда в 1897 г. – Аgrobacteriumtumefaciens(Pseudomonadaceae).С этой бактерией свя­зано рождение и становление генной инженерии растений. Если этой бактерией, часто встречающейся в ризосфере, заразить здоровое, не пораненное растение, то в области раны разовьется типичный корончатый галл. Опухолевые клетки рас­тут в культуре быстро, без добавления фитогормонов. Для возникновения опухо­ли достаточно кратковременного контакта с бактерией, само ее развитие проис­ходит в отсутствии бактерии. Под воздействием бактерии нормальные клетки превращаются в опухолевые, но как это происходит, долго не удавалось выяс­нить. В 1974 г. было установлено, что патогенные штаммы агробактерии содер­жат крупную плазмиду (150-200 тыс. пар нуклеотидов), отсутствующую у бакте­рий патогенных штаммов. Теряют плазмиду при температуре более 30°С.Иными словами, фактор, вызывающий образование опухоли, связан у агробактерии с крупными плазмидами. В индуцированных с помощью плазмид опухолях проис­ходит синтез опинов(производных аминокислот, в частности аргинина), исполь­зующихся бактериями для питания. Этот механизм осуществляется посредством переноса плазмидных генов, ответственных за синтез опинов,от бактерий к рас­тениям и их последующее существование и проявление в растении без бактерий. Эти гены были выявлены в плазмидах и в опухолевых растительных клетках бак­терии. Попадая на ранку подходящего растения, начинают в течение двух часов активно синтезировать целлюлозу, играющую роль связующего жгута. Еще через 4 часа начинается перенос плазмиды из бактерии в клетки растения. Заканчива­ется он через 2 часа. Теперь присутствие бактерий становится необязательным для развития опухолей. Онкогены плазмиды встраиваются в растительное ядро, что ведет к опухолевой трансформации клетки. Встраивание происходит с помо­щью обратного действия матричной РНК. Плазмидные онкогены кодируют также синтез фитогормонов (ауксинов, цитокининов), способствующих росту и деле­нию опухолевых клеток.

Гены, которые хотят перенести в растения, вшивают в векторы плазмид Е.сoli,затем гибридные ДНК переносят в агробактерии, а из них в растения. Предназначенный для переноса ген вшивают в участок плазмиды агробактерии,способный внедряться в ядро растительной клетки. Для переноса генов исполь­зуют также вирусы растений, в частности вирус цветной мозаики капусты. Ряд генов вируса, несущественных для его жизнедеятельности, заменяются на другие гены.