8. Строение гена эукариот и генетическая инженерия

Ген – участок молекулы ДНК, который несет информацию о синтезе белка. Ген делим путем мутаций, рекомбинаций. Наименьшая неделимая единица гена – цистрон (структурный ген).

Существуют несколько типов генов

1. прерывистые (мозаичные) – открыты у эукариот, состоят из кодирующих участков – экзонов и некодирующих – интронов. Транскрипция на и-РНК при этом идет со всех участков, затем интроны вырезаются, а экзоны сшиваются ферментом лигазой и трансляция идет только с экзонов.

2. перекрывающиеся – существование перекрывающегося генетического кода обнаружено у вирусов в 90-е годы.

3. подвижные гены открыты в 1951 г. американским генетиком Маклинтом, они существуют в виде транспозонов и векторов (плазмиды, со встроенным геном). Плазмида – кольцевая молекула ДНК про- и эукариот, способная к автономной репликации), которые используют в генетической инженерии для переноса генов из 1 клетки в другую.

Генетическая инженерия представляет собой целенаправленное изменение генома по намеченному плану, изменяя в нем генетическую информацию.

Геном это совокупность хромосом и генов в гаплоидном наборе. Операции по генетической инженерии: синтез генов вне организма, выделение генов из клеток, перестройка выделенных генов, копирование и размножение генов, перенос и включение генов в другой геном.

Перспективы генетической инженерии:

1. Увеличение микробиологического производства кормовых белков, витаминов, антибиотиков

2. Перенос генов-азотфиксации из клубеньковых бактерий в другие клетки растений.

3. Лечение наследственных заболеваний.

4. Создание толерантных к стрессовым условиям среды растений - устойчивых к гербицидам, пестицидам, засоленным почвам, насекомым, низким и высоким температурам.

Перенос генов называется – трансгеноз - включает 3 операции:

1. гены выделяют или синтезируют химическим или ферментативным (оперон) способом

2. ген включают в вектор (это автономно реплицирующаяся плазмида, которую имеют бактерии)

3. размножение вектор и введение их в клетку, наследственную информацию которой нужно изменить.

4. необходимо заставить гены работать.

Мы не выделили в этой главе отдельный раздел мутационной изменчивости, связанной с изменением нуклеотидной структуры ДНК и целых хромосом под действием физических и химических факторов на живые клетки. Поскольку эти процессы имеют прямое отношение к молекулярной генетике. То, что изложено, считаем достаточным для понимания сути эволюционных информационно-генетических основ существования живой материи. А мутационную изменчивость и механизмы лежащие в основе этих процессов можно найти в любом современном учебнике по генетике.

9. Практическое использование генетической инженерии

У растений для получения векторов используют Ti-плазмиды, выделенные из клеток образующих галлы (наросты) на деревьях. С помощью них перенесли ген кормовой ценности из бобов в подсолнечник, получили – санбин.

Среди европейцев дефективного ген роста встречается в 1 из 5 000 случаев. Гормон роста – соматостатин – вырабатывается в передней части гипофиза. Из клеток человека выделили гены роста – соматостатин - (высокого и низкого), такие гормоны необходимо добавлять в пищу для регуляции роста.

Интерферон – вещество с высокими иммунными свойствами. Если оно вырабатывается в норме, человек не болеет, но в пожилом и младенческом возрасте интерферон вырабатывается недостаточно. Этот ген перенесли в кишечную палочку, которая обеспечивает синтез этого фермента.

Производство вакцин – неактивный вирус в организме образует антитела, но инактивация вируса ненадежна. В числе достижений советской молекулярной генетики является то, что ДНК гепатита В пришита к ДНК вируса оспы. При этом, человек устойчив против заболевания оспой и имеет иммунитет против гепатита В.

Производство гормона инсулина, необходимого при заболевании сахарным диабетом, стало возможно при встраивании плазмиды, с геном инсулина, в кишечную палочку.

В растениеводстве используют гибридизацию соматических клеток - клетки лишают оболочки и протопласты 2 клеток разных видов сливают. Так можно скрещивать растения, которые в природе никогда не могут дать потомство (т.е. в принципе любые генотипы).

В нашем регионе существует проблема засоленности почв (до 20 %), в природе есть сорняки, которые прекрасно растут в таких жестких условиях (различные солянки), их можно использовать для повышения устойчивости к заселению культурных растений.

Возможно решение проблемы энергии – биогаз (смесь метана и углекислого газа) получают с помощью микроорганизмов используя субстрат – навоз, растительные отходы.

Георг Мелхерс, смешав клетки помидора и картофеля, получил новое растение, которое дает обычные клубни и мелкие, лишенные семян плоды.

Сегодня имеется большое количество примеров как положительной, так и отрицательной, с точки зрения человека, работы генной инженерии.

Таким образом, сегодня мы можем говорить о том, что с помощью генной инженерии представляется возможность решать ряд селекционно-генетических вопросов, которые не могла решить менделеевская генетика. Однако на этом пути человечество подстерегают большие опасности, ведущие к получению на Земле неуправляемых биологических объектов.

10. Новый механизм передачи наследственной информации (прионные болезни + волновая структура генетического кода)

Заканчивая рассмотрение генетических основ живой материи следует подчеркнуть, что по наследству передаются только признаки, закрепленные в материальных носителях наследственной изменчивости, а ненаследственная, или модификационная, изменчивость связана лишь со степенью и продолжительностью во времени экспрессии генов и отражает возможность организма в каждый конкретный момент приспособиться (адекватно отреагировать) к окружающей среде. Такие приобретенные (степень проявления) каждым организмом признаки в онтогенезе не наследуются. Изменения фенотипа не сказываются на нуклеотидных последовательностях ДНК. Это похоже на житейскую ситуацию, когда брюнетка перекрашивается в блондинку: фенотип меняется, а генотип - нет. В молекулярной генетике это объясняется тем, что процесс передачи наследственной информации идет только от ДНК через РНК к белкам и никогда наоборот. В последние годы работами российских (С.Г. Инге-Вечтомов, М.Д. Тер-Аванесян) и американских (С. Прузинер, Р. Викнер) биохимиков и ряда других ученых был установлен новый принцип передачи наследственной информации без участия молекул ДНК. Это явление было обнаружено в связи с генными болезнями "коровьего бешенства", Крейцфельдта-Якоби у человека, скрейпи у овец и др. Смертельно опасная болезнь Крейцфельдта-Якоби разрушает центральную нервную систему. Мозг пострадавших людей при употреблении ими мяса коров, болеющих "коровьим бешенством", становится пористым, как сыр или губка. Отсюда еще одно название этой болезни – губчатый энцефалит. Белковые возбудители этих болезней, поражающие нервную систему и мозг, названы прионами. Термин "прион" возник как модифицированное сокращение от английского Protonacions Infection - белковая инфекция.

С. Прузинер, обнаруживший новый тип инфекции – прионную – и получивший Нобелевскую премию по медицине за 1997 г., установил, что абсолютно одинаковые по химическому составу прионные белки могут находиться в разных пространственных формах. Образное сравнение между ними можно представить в виде сырого и вареного белка обычного куриного яйца. Обычный белок хорошо растворяется и выполняет свойственную ему функцию. Аномальный белок, имеющий другую пространственную конфигурацию, в противоположность нормальному свертывается, образует агрегаты, которые слипаются.

Уникальным свойством прионов оказалось то, что аномальный белок, сталкиваясь с нормальным, переводит его в свою аномальную форму. В этом суть прионной инфекции – "больной" белок заражает "здоровый", который, накапливаясь, заполняет клетки мозга, препятствует их работе. Исследования, проведенные с дрожжевым геном SUP 35, показали сходство такого белка с прионами, и была обнаружена передача информации от одного типа белка к другому без участия ДНК. Аномальный белок, образованный из нормального, способен передавать свою форму другому нормальному белку непосредственно. Вот такой механизм передачи наследственной информации (о пространственном строении белка) и был назван белковой наследственностью.

Таким образом, здесь информация передается не через гены, которые закодированы линейной последовательностью нуклеотидов, а непосредственно в трехмерной структурной форме. Предполагается, что прионные белки участвуют в формировании долговременной памяти, и тогда белковая наследственность, возможно, связана с функциональной деятельностью мозга и также с болезнями Альцгеймера, Паркинсона, Хантингтона, которые обусловлены белками, способными образовывать подобные агрегаты как у аномальных белков. Также установлено, что болезни "коровьего бешенства" и Крейцфельда-Якоби имеют общую прионную природу. Это означает, что мясо или молоко от бешеной коровы действительно может стать смертельным для человека.

В связи с рассмотренным в общих чертах механизмом реализации генетической информации возникает вопрос: почему она записана именно в такой последовательности нуклеотидов четырех типов А, Т, Г, Ц, которые в виде оснований входят в ДНК. Это связано с тем, что они состоят из гигантских образований макромолекул, способных к самовоспроизводству – матричный принцип. Высокополимерные цепи нуклеиновых кислот насчитывают до миллиона аминокислотных остатков. Такой гигантизм делает их чрезвычайно способными к кооперативным, когерентным (согласованные во времени колебательные, волновые процессы) формам поведения типа неравновесных фазовых переходов. Можно сказать, что организм допускает только те компоненты, которые способны участвовать в таких кооперативных процессах. Частичная утрата высокой кооперативной индивидуальности у организма определяет переход его в менее устойчивое состояние.

Теоретические модели волновой генетики и воспроизведение волнового иммунитета в эксперименте показывают возможность внешнего квантового управления и самоорганизации организмов "in vitro – in vivo" с помощью биоголографической информации. Под голографическим управлением понимается изменения метаболизма и структуры клеток под влиянием управляющих акустических, световых, электромагнитных и других воздействий (Гаряев и др. 2008)

Такие научные представления в определённых рамках позволяют достаточно уверенно формулировать фундаментальные законы сохранения материи на биологическом уровне в устойчивом состоянии и возможности изменения этих состояний или её преобразования при определённых условиях. Динамическая теория информации позволяет оценивать такие преобразования, в первую очередь, как информационные, которые протекают на разных уровнях её организации и, соответственно, взаимодействий, что можно понимать как цепь космофизико-химических, геохимических и биохимических реакций структурно связанных в единую информационную сеть. Эти подходы необходимо считать существенным дополнением к существующей модели генетического управления живыми формами на основе ДНК (Гаряев, Тертышный и др. 2008). Они могут иметь прямое отношение к эпигенетическим процессам управления наследственностью.

Таким образом, мы видим, что объяснение процессов в молекулярной генетике - постановка и решение проблемы генетического кода, раскрытие молекулярной природы наследственности и изменчивости (мутаций) — может быть сведено к электромагнитной, квантово-механической трактовке и применению теории самоорганизующихся сложных систем. Как отмечал М.В. Волькенштейн (1988), "истинное истолкование биологических явлении является атомно-молекулярным".

Подводя некоторые итоги отметим, что на основании матричного принципа молекулярной генетики как только генетическая информация стала воспроизводимой на основе ДНК и РНК, возникла Жизнь. Можно сделать общий вывод - мы несем в себе информацию не только о наших умерших предках, но и обо всей живой природе. Вся природа как бы заключена в нас. Обобщая материалы главы 4 и 5 можно говорить о том, что клетка является структурной единицей живой материи и одновременно информационной системой особой сложности и иерархии. В ней на разных уровне организации (ДНК, РНК, рибосомы, митохондрии, ферменты, белки, аминокислоты и мн.др.) закодирована информация обо всех процессах необходимых для её существования и формирования адаптивных свойств, от уровня клетки до уровня сложных биологических (морфофизиологических) систем (организмов, видов), что отражается в эволюции живой материи и реализуется при необходимых и достаточных внешних условиях. Именно появление собственной информационной генетической системы (ДНК, РНК, хромосомы) внутри клетки обеспечило эволюцию живой материи.

Контрольные вопросы

1. Трансдукция и трансляция.

2. Генетический код и его положения.

3. Этапы биосинтеза белка, регуляция белкового синтеза.

4. Химический состав, структура, типы и функции РНК.

5. Строение гена эукариот.

6. Генетическая инженерия.

7. Новые механизмы передачи генетической информации.

Гораций, много в мире есть того,

Что вашей философии не снилось.

Шекспир