Интернет-журнал "Домашняя лаборатория", 2008 №5
Шрифт:
Генные технологии
Теперь мы можем попытаться понять, каким образом генетики вмешиваются в работу наследственных программ. До появления биотехнологии и методов генной инженерии генетические изменения тоже, конечно, происходили, но шли они совершенно иными темпами. С очень значительными генетическими изменениями связана вся эволюция жизни на Земле, насчитывающая более трех миллиардов лет. От времени существования общего предка обезьяны и человека прошло пять миллионов лет, накопившиеся за это время изменения затронули 1,5 % их генетических текстов. Селекционная работа, которую человек вел на протяжении десяти тысячелетий существования производящего хозяйства, также вызвала изменения геномов культурных растений и одомашненных животных, являвшихся объектом
Заставить ген одного организма работать в геноме другого можно лишь при соблюдении определенных условий. Во-первых, к чужеродному гену следует «подшить» регуляторные элементы подходящего хозяйского гена с тем, чтобы он включился в нужное время в нужной ткани (например, чтобы его продукт секретировался в молоко у коровы), а также элементы, обеспечивающие его встраивание в геном или самостоятельное воспроизведение в хозяйской клетке. Во-вторых, нужно обеспечить систему введения генетической конструкции в клетки хозяина. Технологии «кройки и шитья» генов для всех одинаковы, а вот системы введения ДНК в клетки организма-хозяина сильно различаются. Сейчас такие системы отработаны и для микроорганизмов, и для растений, и для некоторых животных, причем существуют методы введения ДНК в клетки, размножаемые в пробирках, и методы, пригодные для модификации сформированного организма. Последние используют для генотерапии, то есть лечения наследственных болезней путем введения человеку «здоровых» генов.
Еще одно условие — работа гена не должна вредить самому организму-хозяину. Например, устойчивость трансгенного картофеля к колорадскому жуку обеспечена введением в растительный геном бактериального гена, контролирующего синтез белка, токсичного для насекомых (причем не для всех, а для определенной группы) и безвредного для растений, животных и человека. После генетической модификации полученный уникальный организм следует размножить. Для этого используется клонирование.
Клонирование
Клонирование (от греч. клон — ветвь, побег) — точное воспроизведение того или иного живого объекта в некотором количестве копий. Этим термином обозначают два совершенно разных процесса — клонирование (то есть получение идентичных копий) фрагментов ДНК и клонирование клеток взрослого организма (то есть получение группы клеток с одинаковым генотипом).
Клонирование фрагментов ДНК широко используется в молекулярной генетике, так как изучать небольшой участок (размером сотни или тысячи пар нуклеотидов) гораздо легче, чем целую хромосому. Для этого изучаемый фрагмент вводят в клетки микроорганизмов. В частности, в биотехнологии именно с помощью клонирования фрагментов ДНК в бактериях получают клетки, продуцирующие нужные медицине человеческие белки.
Клонирование растений всем известно — это размножение растений черенками. А эксперименты по клонированию животных впервые осуществили в начале 1950-х годов американские эмбриологи Роберт Бриггс и Томас Кинг (Robert Briggs, Thomas King), пересадившие ядро зрелой клетки лягушки в яйцеклетку, собственное ядро которой было удалено. В России такие эксперименты были проведены даже несколько раньше Георгием Лопашевым, но его результаты не были опубликованы из-за преследований генетиков в сталинское время. Английскому ученому Джону Гердону (John Gurdon) удалось усовершенствовать методику и добиться того, что из 1–2 % яйцеклеток с пересаженным ядром вывелись лягушата. Из остальных яйцеклеток или развивались дефектные эмбрионы, или не развивались вообще — слишком велики были повреждения во время операции по пересадке ядер. Если можно клонировать лягушку, то почему не попробовать сделать это и с другими животными?
В 1997 году появилось сенсационное сообщение о том, что в лаборатории Яна Вилмута (Ian Willmut, Эдинбург, Шотландия) разработан метод клонирования млекопитающих. Эксперименты проводились на овце. Ядро из клетки молочной железы взрослой особи ввели в яйцеклетку с удаленным ядром и затем активировали ее посредством электрического удара. Развивающиеся зародыши пересадили в матку приемной матери, где они оставались до рождения. Из 236 опытов успешным был только один, в результате которого
В принципе, технически можно клонировать и человека, но в этом случае возникают моральные, этические и юридические проблемы. Но даже если удастся осуществить клонирование людей, получить личность, идентичную личности донора ядра, невозможно. Невозможно получить даже организм, полностью идентичный исходному по своим биологическим свойствам — для этого пришлось бы точно воспроизвести условия развития плода и рождения ребенка. А предположения о массовом производстве сверхгениев или сверхпослушных солдат не имеют под собой никаких оснований. Любые возможности, которые могут быть реализованы при клонировании, будут все равно лежать в границах возможностей человека как биологического вида.
Сообщения о клонировании животных и появляющиеся время от времени сообщения о якобы успешных попытках клонирования человека (которые пока ничем не подтверждены) привлекают огромное внимание публики. Опросы, проведенные в европейских странах фондом Progress Educational Trust (Лондон), показали, что об овечке Долли знают около 90 % опрошенных, тогда как об имеющих гораздо большее значение для людей и уже применяемых на практике генодиагностике и генотерапии слышали лишь около половины. Похоже, что клонирование ассоциируется у неспециалистов с чем-то вроде возрождения душ и порождает страхи, подобные тем, что были высказаны участниками студенческого митинга в Беркли, во время Международного генетического конгресса (1973). Студенты пытались бойкотировать ученых, обвиняя их в попытках клонировать Ленина, Гитлера, Сталина, Мао Цзэдуна. Как правило, такие опасения возникают из-за недостатка информации. Для клонирования организмов нужны живые клетки. После смерти целостность ДНК нарушается, и она может быть использована для уже упоминавшегося молекулярного клонирования отдельных фрагментов, но никак не для воспроизведения генетически идентичного организма.
Геном человека как объект генных технологий
Геномы разных людей содержат одинаковые наборы генов, но их генетические тексты различаются. Различия составляют в среднем один нуклеотид на тысячу «букв» текста, то есть 0,1 %. С генетическими различиями связаны видовые и индивидуальные биологические признаки каждого организма. Индивидуальные особенности человека затрагивают и устойчивость к инфекциям, и адаптацию к определенным климатическим условиям (в частности, цвет кожи является такой адаптацией), и приспособленность к тому или иному типу питания. Образ жизни, к которому человек генетически и физиологически не приспособлен (включая климатические условия, уровень физической активности, диету), ведет к болезням. Некоторые болезни можно вылечить или предотвратить, меняя среду или образ жизни. Всем известен «бег от инфаркта». Но есть наследственные заболевания, проявляющиеся вскоре после рождения ребенка и до недавнего времени неизлечимые.
Понимание молекулярных основ развития организма в норме и при патологии позволяет разработать принципиально новые подходы к лечению и профилактике заболеваний. Полученная при расшифровке генома человека информация уже привела к созданию систем диагностики для нескольких сотен наследственных заболеваний. Еще двадцать лет назад для большинства из них в справочниках указывалось «исходное нарушение, приводящее к развитию заболевания, неизвестно». Понимание закономерностей работы генов позволяет обнаружить болезнь еще до проявления симптомов. Во многих случаях раннее начало профилактического лечения позволяет предотвратить развитие заболевания или отодвинуть начало его проявления. Например, у одного из десяти тысяч новорожденных встречается серьезное нарушение обмена веществ — фенилкетонурия. При этом заболевании недостает фермента, превращающего аминокислоту фенилаланин в другую аминокислоту — тирозин. У больных накапливается промежуточный продукт обмена фенилаланина — фенилпировиноградная кислота. Избыток ее приводит к поражению клеток мозга и умственной отсталости. Всех младенцев проверяют на наличие этого заболевания. Если оно выявлено, назначают специальную диету, которая позволяет избежать или в значительной мере смягчить развитие симптомов.