Тема 7. Генная и клеточная инженерия как основные направления биотехнологии

Задачи:

1. Сформировать понятие о биотехнологии и ее основных направлениях – генной и клеточной инженерии.

2. Научить различать методы клеточной и генной инженерии, правильно выявлять их сущностные характеристики.

3. Доказать, что биотехнология является гармоничным соединением современных научных знаний и практической деятельности, нацеленных на оптимальное решение народнохозяйственных проблем и задач.

Ген и модель его общей структуры

В 1865г. Г. Мендель заявил о том, что наследуются не признаки, а наследственные задатки (факторы), их определяющие. В 1909г. В. Иогансен назвал эти наследственные факторы «генами».

В ходе развития генетики понятие «ген» многократно изменялось и уточнялось. Ученые достаточно долго спорили о том, где локализованы гены. Первые представления о гене связаны с развитием хромосомной теории наследственности. Несмотря на то, что Т. Бовери и У.Сеттон в 1902–1907 гг. предположили, что носителем генетической информации является ДНК, большинство ученых пошло по ошибочному пути, считая, что наследсвенная информация кодируется через структуру молекул белка.

Автором хромосомной теории наследственности в 1910г. стал американский исследователь Томас Морган, заявив, что хромосома – нитевидная структура ядра, является материальной основой наследственной информации. Позже, он даст трактовку и самим генам: в структуре хромосомы они расположены линейно, в строго заданных локусах. Отдельно взятый ген представляет наименьший участок молекулы ДНК и может быть отделен от примыкающих к нему, посредством кроссинговера.

Определенную роль в развитии теории гена сыграл английский врач Арчибальд Гэррод, впервые описавший три патологии из разряда болезней обмена веществ, назвав их «врожденными ошибками метаболизма». Он усмотрел определенную взаимосвязь между генами и ферментами. Но это было лишь предположение. Достаточно близко к решению этого вопроса подошел русский ученый Николай Константинович Кольцов, но все же Нобелевская премия была вручена в 1941г. другим исследователям: ее получили Джорж Бидл и Эдуард Татум за формулировку «один ген – один фермент» («один ген – один белок»). Позже было доказано, что сложные ферменты (РНК–полимераза и др.) состоят из нескольких субъединиц, поэтому формулировку подкорректировали «один ген – одна полипептидная цепь». Эта формула стала основой нового научного направления – молекулярной биологии. («Ген – это линейный участок ДНК, в котором закодирована одна полипептидная цепь белка»).

Существенный вклад в изучение структуры гена внесли ученые Дж.Уотсон и Ф. Крик, описавшие в 1953г. молекулярную структуру ДНК в виде двойной спирали. Следует отметить, что биологическая функция молекулы ДНК была увязана с ее химическим строением несколько раньше – в 1944г. (О. Эйвери с сотрудниками).

Показав механизмы матричных процессов – репликации, транскрипции, необходимо было выяснить все тонкости трансляции. На расшифровку генетического кода ушло более 10 лет. Этим вопросом занимались такие исследователи как Г. Гамов, М. Ниренберг, Дж. Матей (1961).

Достаточно долгое время под понятием «ген» подразумевалась функционально неделимая единица наследственного материала. Ген - это участок молекулы ДНК, кодирующий первичную структуру полипептида через структуру иРНК, а также молекулы р-РНК, тРНК или взаимодействующий с регуляторным белком. Исследователь Бензер предложил единицу генетической функции называть цистроном. Цистрон – участок ДНК, несущий информацию, необходимую для синтеза 1полипептидной цепи. Такая цепь может функционировать самостоятельно, как биологически активная молекула или становится частью более крупной макромолекулы. В связи с тем, что мутация может касаться нуклеотидной последовательности одного отдельно взятого триплета, т.е. участка в одну нуклеотидную пару, он был назван мутоном. Место расположения генов в хромосоме (его позиция в ней), называется локусом.

По мере развития молекулярной биологии, границу генов (как наследственных задатков) в молекулах ДНК находить становится все труднее. Обнаружены участки последовательностей нуклеотидов с неизвестными функциями, описаны мигрирующие (мобильные) генетические элементы, своеобразные псевдогены (никогда не транскрибируемые участки). Точное число генов у эукариот неизвестно, предполагается, что у человека их 50-100 тысяч. Наиболее вероятным в последнее время считают общее число – 70 тыс. генов.

В настоящее время в молекулярной генетике выделилось новое направление, получившее название генетика позиционного клонирования (обратная генетика): выделяют, клонируют и изучают первичную структуру гена без предварительного знания его белкового продукта.

Работает Международная программа «Геном человека». С 1989-2005гг. планировалось провести тотальное генетическое и физическое картирование генов (взаимное расположение в ДНК, расстояние между генами) и секвенирование (определение порядка расположения нуклеотидов). В реализации программы участвуют такие страны как Англия, Франция, США, Швеция, Япония, Россия.

По мнению ученых, каждый 2-3 ребенок, находящийся в педиатрической клинике, имеет наследственную патологию. В 21 веке будет создан новый метод лечения – генотерапия. Пока же, с позиции уровня современной науки, необходимо иметь представление о модели общей структуры гена:

Ген – это участок ДНК, имеющий слева 5’-конец (начало гена), а справа – 3’-конец (конец гена), между которыми расположены экзоны – кодирующие последовательности и интроны – не кодирующие последовательности ДНК. Ген – как сумма кодирующих последовательностей ДНК - это лишь часть генетического локуса. В состав генетического локуса входят различные регуляторные участки, необходимые для инициации или терминации транскрипции. К ним относятся оператор, промотор (это спейсеры), терминатор, энхансеры – усилители, сайленсеры – ослабители.

Определенный вклад в расшифровку последовательности регуляторных и структурных генов в свое время внесли французские исследователи Жакоб и Моно.

В настоящее время установлено, что размеры генов весьма вариабельны. Один из самых коротких генов – ген бета-глобина содержит 3 экзоны и 2 интрона = всего 1100 пар нуклеотидов. А ген дистрофина содержит 2,6 млн. пар нуклеотидов (экзонов более 2000). Зная размеры гена, можно высчитать размер белка: 1 аминокислота кодируется 3 нуклеотидами. Если размеры гена составляют 3000 пар нуклеотидов (экзоны), то белок будет содержать 1000 аминокислотных остатков.