Текст учебника. Урок 11. Генная инженерия.

Молекулярная биология и биотехнологии

 Генная инженерия: методы, применения и этика

Введение
С момента открытия структуры ДНК человечество получило возможность не просто изучать, но и целенаправленно изменять генетический материал живых организмов. Так возникла генная инженерия — мощнейший инструмент современной биологии, который находит применение в медицине, сельском хозяйстве и промышленности. Этот параграф познакомит вас с основными методами этой науки, с самой известной её продукцией — ГМО, и с самым перспективным направлением — генотерапией.

1. Методы генной инженерии

Генная инженерия — это совокупность экспериментальных приёмов, позволяющих создавать искусственные молекулы ДНК (рекомбинантные ДНК) с заданными свойствами, вводить их в организм и добиваться их работы в новых условиях.

Создание генетически модифицированного организма — сложный многоэтапный процесс. Его основу составляют несколько ключевых методов и «инструментов».

1. Выделение гена-мишени. Первая задача — получить нужный ген, который будет встраиваться. Для этого используются специальные ферменты — рестриктазы (или рестрикционные эндонуклеазы). Эти ферменты узнают specificкие последовательности нуклеотидов в ДНК (сайты рестрикции) и разрезают двойную спираль в строго определённых местах, образуя «липкие» или «тупые» концы. Если необходимо создать множество копий гена, применяют полимеразную цепную реакцию (ПЦР), позволяющую in vitroamplify (многократно умножить) даже ничтожно малый участок ДНК.

2. Создание рекомбинантной (гибридной) ДНК. Выделенный ген необходимо встроить в молекулу-переносчик — вектор. Чаще всего в качестве вектора используют плазмиды — небольшие кольцевые молекулы ДНК бактерий, способные autonomously (автономно) replicating (удваиваться) в клетке. С помощью тех же рестриктаз разрезают плазмидную ДНК. Затем фрагмент ДНК с нужным геном и вектор «склеивают» с помощью другого фермента — ДНК-лигазы. Так получается рекомбинантная плазмида.

3. Введение вектора в клетку-реципиент. Процесс внедрения чужеродной ДНК в клетку называется трансформацией (для бактерий) или трансфекцией (для эукариотических клеток). Клетки обрабатывают специальным образом (например, с помощью хлорида кальция или электрического тока — электропорации), чтобы сделать их мембраны проницаемыми для векторных молекул.

4. Отбор клонов и экспрессия гена. Далеко не все клетки успешно поглощают вектор. Поэтому используют векторы, содержащие гены-маркеры (например, ген устойчивости к антибиотику). Клетки высевают на питательную среду с антибиотиком, где выживают только те, в которые плазмида успешно проникла. Эти клетки размножаются, образуя клон — генетически идентичные потомки, способные синтезировать белок, кодируемый встроенным геном.

Рисунок 1. Схема создания рекомбинантной плазмиды и трансформации бактериальной клетки.
(На рисунке изображены: 1. Выделение гена и плазмиды. 2. Разрезание рестриктазами. 3. Соединение лигазой. 4. Трансформация бактерии. 5. Отбор на среде с антибиотиком и клонирование.)

2. ГМО: за и против

Генетически модифицированный организм (ГМО) — это организм, генотип которого был целенаправленно изменён методами генной инженерии для придания ему новых полезных свойств.

Применение ГМО:

• Сельское хозяйство: Создание сортов растений, устойчивых к вредителям, гербицидам, болезням и вирусам (кукуруза, соя, хлопчатник). Разработка культур с улучшенными питательными свойствами («золотой рис» с высоким содержанием витамина А).

• Медицина: Производство человеческого инсулина, гормона роста, вакцин и других лекарственных препаратов с помощью генетически модифицированных бактерий и дрожжей.

• Промышленность: Создание микроорганизмов для очистки сточных вод, переработки отходов, производства биопластика.

Дискуссия вокруг ГМО носит острый социальный и ethical (этический) характер. Аргументы сторон можно свести в таблицу:

Важно отметить, что на сегодняшний день подавляющее большинство научных исследований и крупных организаций (таких как ВОЗ) подтверждают безопасность разрешённых к использованию ГМ-продуктов. Однако необходим строгий пост-маркетинговый мониторинг и всестороннее изучение каждого нового сорта или штамма.

3. Генотерапия

Генотерапия — это совокупность методов лечения наследственных и некоторых приобретённых заболеваний путём направленного изменения генетического материала клеток человека.

В основе генотерапии лежит идея о том, что причиной болезни является дефект (мутация) в определённом гене. Задача — доставить в клетки пациента working (работающую) копию этого гена.

Подходы и виды:

1. Ex vivo (вне организма): Клетки извлекаются из организма пациента, в них in vitro вводится функциональная копия гена с помощью вирусного или невирусного вектора, после чего модифицированные клетки размножаются и возвращаются обратно в организм.

2. In vivo (внутри организма): Генетическая конструкция (чаще всего в составе обезвреженного вируса, который теряет патогенность, но сохраняет способность доставлять ген) вводится непосредственно в кровоток или в конкретный орган пациента.

По объекту воздействия генотерапия делится на два принципиально разных типа:

• Соматическая генотерапия: Изменения вносятся в соматические клетки (клетки тела, не involved (не участвующие) в размножении). Эффект от такого лечения распространяется только на самого пациента и не передаётся по наследству. Это единственный вид, разрешённый для применения в медицине на сегодня.

• Зародышевая (герминативная) генотерапия: Изменения вносятся в половые клетки или клетки на ранних стадиях эмбриогенеза. Такие изменения могут передаваться последующим поколениям. Это направление связано с огромными ethical (этическими) и юридическими проблемами (риск непредсказуемых последствий для генофонда) и в настоящее время запрещено во всём мире.

Достижения и challenges (вызовы): Уже есть успешные примеры лечения методом генотерапии таких заболеваний, как тяжелый комбинированный иммунодефицит (ТКИД), гемофилия B, амавроз Лебера (наследственное заболевание сетчатки). Однако остаются серьёзные проблемы: риск вставки гена в неправильную область генома, возможная иммунная реакция на вектор, высокая стоимость лечения.

Выводы:
Генная инженерия открыла перед человечеством колоссальные возможности по перестройке живых систем для решения глобальных проблем. Однако любая мощная технология несёт в себе не только огромный потенциал, но и большую ответственность. Будущее её развития зависит не только от научного прогресса, но и от взвешенного, научно обоснованного подхода к оценке рисков и benefits (пользы), а также от открытого общественного диалога.