Вирусы генная и клеточная инженерия

Обновлено: 24.04.2024

Урок посвящен знакомству с механизмами транскрипции и трансляции в клетках эукариот и прокариот. Вы узнаете о современных направлениях молекулярной биологии – генной и клеточной инженерии. А так же познакомитесь с вирусами – неклеточной форме жизни.

4. Глоссарий по теме (перечень терминов и понятий, введенных на данном уроке);

оператор - участок ДНК между промотором и структурными генами в опероне располагается;

репрессор - связан особый белок связанный с оператором при этом РНК-полимераза не может начать синтез иРНК.

Оперон – это группа генов (т.е. участок ДНК), работа которых контролируется одним геном-регулятором. Единица считывания информации у прокариот.

Ген-регулятор – это ген, находящийся обычно на некотором расстоянии от оперона (т.е. он не входит в организацию оперона), постоянно активен и на основе его информации синтезируется особый белок-репрессор

Бактериофаг - вирус, инфицирующий бактерии.

Вирион - вирусная частица.

Капсид - белковая оболочка вирусной частицы.

Клонирование - совокупность процедур, использующихся для получения клонов.

Ретровирусы - группа РНК-содержащих вирусов, содержащих обратную транскриптазу; синтезированная на РНК-матрице двухцепочечная ДНК может встраиваться в хромосому инфицированной этим вирусом клетки.

Генная инженерия – (Gene engineering) – совокупность приемов, методов и технологий, в том числе технологий получения рекомбинантных рибонуклеиновых и дезоксирибонуклеиновых кислот, по выделению единичных или нескольких генов из организма, осуществлению манипуляций с генами и введению их в другие организмы.

Клеточная инженерия – это один из основных разделов современной биотехнологии, основанный на выделении и культивировании тканей и клеток высших многоклеточных организмов

Биотехноло́гия — интеграция естественных и инженерных наук, позволяющая наиболее полно реализовать возможности живых организмов или их производные для создания и модификации продуктов или процессов различного назначения

5. Основная и дополнительная литература по теме урока (точные библиографические данные с указанием страниц);

1. Общая биология 10-11, дидактические материалы/ авт.-сост С.С. Красновидова, С. А. Павлов, А. Б. Павлов, - М. Просвещение, 2000г., стр.6-42

2. Общая биология 10-11 классы: подготовка к ЕГЭ. Контрольные и самостоятельные работы/ Г. И. Лернер. – М.: Эксмо, 2007.стр 35-45

3. Биология: общая биология. 10-11 классы: учебник/ А. А. Каменский, Е. А. Криксунов, В. В. Пасечник.- М.: Дрофа, 2018. Стр.55-68

6. Открытые электронные ресурсы по теме урока (при наличии);

7. теоретический материал для самостоятельного изучения;

Ген – это фрагмент молекулы ДНК, содержащий регуляторные элементы и структурную область, и соответствующий одной единице транскрипции, которая определяет возможность синтеза полипептидной цепи или молекулы РНК.

Ген прокариот называется опероном, в его состав входят два основных участка:

регуляторный (неинформативный),
структурный (информативный).

У прокариот на долю регуляторных элементов приходится около 10 %, структурных – 90 %.

Структурная область генов прокариот (единица транскрипции) может быть представлена одним кодирующим участком, который называется цистроном, либо несколькими кодирующими участками (полицистронная единица транскрипции). В структурной зоне закодирована информация о последовательности аминокислот в виде генетического кода. Со структурной области считывается мРНК. При наличии у прокариот полицистронной единицы транскрипции на одном структурном участке одновременно может синтезироваться несколько разновидностей мРНК.

К регуляторным элементам генов прокариот относятся участки, управляющие работой гена:

промотор,
оператор,
терминатор.

Промотор определяет начало транскрипции (участок инициации). С промотором соединяется фермент РНК-полимераза, осуществляющий синтез мРНК. Другой элемент, управляющий процессом транскрипции, – оператор, который располагается поблизости от промотора или внутри него. Этот участок может быть свободным, тогда РНК-полимераза соединяется с промотором и начинается транскрипция. Если оператор связан с белком-репрессором, РНК-полимераза не может нормально соединиться с промотором, и транскрипция невозможна. Следующий регуляторный элемент – терминатор – находится за структурной областью и содержит сигнальный участок остановки транскрипции.

Механизм функционирования системы регуляции синтеза белка был открыт в 1962 году Жакобом и Моно при исследовании культивирования кишечной палочки в лактозной среде и назван lac-опероном.

Упрощенно этот механизм может быть описан следующим образом. На основе информации гена-регулятора синтезируется белок-репрессор; если он активный, он связывается с геном-оператором, перекрывая путь для РНК-полимеразы – процесс трансляции и последующего синтеза белка выключается (запрещается). Если появляется индуктор (например, лактоза в lac-опероне), он присоединяется с белку-репрессору, приводя его в неактивное состояние. Оператор становится активным и включает процесс считывания информации со структурных генов – разрешает трансляцию. Происходит считывание информации с ДНК, начинается синтез необходимого белка – фермента (например, β-галактозидазы в lac-опероне).

Это только один из возможных механизмов, который называется запрещающей индукцией. Существуют и другие механизмы регуляции синтеза белка: разрешающая индукция, разрешающая и запрещающая репрессия, в которых принимают участие апоиндукторы и корепрессоры.

Строение генов у эукариот намного сложнее. Генетическая система эукариот называется транскриптоном. Транскриптон также состоит из двух частей:

регуляторной (неинформативной),
структурной (информативной),

относительная пропорция которых противоположна генам прокариот: на долю регуляторного участка приходится 90 %, структурного – 10 %.

Регуляторный участок представляет собой ряд последовательно расположенных промоторов и операторов и несколько терминаторов. Структурный участок состоит из одной единицы транскрипции и имеет “прерывистое” строение: кодирующие участки (экзоны) чередуются с некодирующими (интронами). Одномоментно на структурном участке у эукариот может синтезироваться только одна молекула мРНК, однако благодаря наличию альтернативного сплайсинга в разнос время (в зависимости от потребности клетки) на одной и той же структурной части могут синтезироваться разные виды мРНК (от одной до нескольких десятков).

Вирус (от лат. virus — яд) — простейшая форма жизни, микроскопическая частица, представляющая собой молекулы нуклеиновых кислот (ДНК или РНК, некоторые, например, мимивирусы, имеют оба типа молекул), заключённые в белковую оболочку и способные инфицировать живые организмы. От других инфекционных агентов вирусы отличает капсид. Вирусы, за редким исключением, содержат только один тип нуклеиновой кислоты: либо ДНК, либо РНК.

Вирусы являются паразитами, так как вирусы не способны размножаться вне клетки. Вне клетки вирусные частицы ведут себя как химические вещества. В настоящее время известны вирусы, размножающиеся в клетках растений, животных, грибов и бактерий (последних обычно называют бактериофагами). Обнаружены также вирусы, поражающие другие вирусы (вирусы-сателлиты).

В наше время существуют три гипотезы происхождения вирусов. виды вирусов в биологии Гипотеза клеточного происхождения сообщает о том, что внеклеточные агенты появились из фрагментов РНК и ДКН, которые смогли высвободиться от организма большего размера. Регрессивная гипотеза показывает, что вирусы были мелкими клетками, ведущими паразитический образ жизни в более крупных видах, но со временем утратили гены, которые нужны для паразитического существования. Гипотеза коэволюции предполагает, что вирусы возникли в то же время, в которое появились живые клетки, то есть уже миллиарды лет назад. И появились в результате построения сложных комплексов нуклеиновых кислот и белков. Кратко о вирусах (по биологии этих организмов база знаний наша, к сожалению, далека от совершенства) вы можете прочитать в данной статье. Каждая из перечисленных выше теорий имеет свои минусы и недоказанные гипотезы. Вирусы как форма жизни. Существует два определения формы жизни вирусов. Согласно первому, внеклеточные агенты - это комплекс органических молекул. Второе определение сообщает о том, что вирусы являются особой формой жизни. Вирусы (биология подразумевает появление многих новых видов вирусов) характеризуются как организмы на границе живого. Они похожи на живые клетки тем, что имеют свой неповторимый набор генов и эволюционируют исходя из метода естественного отбора. Также они могут размножаться, создавая при этом собственные копии. Так как вирусы не имеют клеточного строения, ученые не рассматривают их как живую материю. молекулярная биология вирусов Для того чтобы синтезировать собственные молекулы, внеклеточным агентам нужна клетка-хозяин. Отсутствие собственного обмена веществ не позволяет им размножаться без посторонней помощи.

Цикл вируса состоит из нескольких этапов, которые являются взаимоперекрывающимися. На первом этапе вирус прикрепляется, то есть образовывает специфическую связь между своими белками и рецепторами клетки-хозяина. Далее нужно проникнуть в саму клетку и передать ей свой генетический материал. Некоторые виды переносят еще и белки. После этого происходит потеря капсида, и геномная нуклеиновая кислота высвобождается. После того как паразит попадает внутрь клетки, начинается сборка вирусных частиц и модификация белка. И в итоге вирус выходит из клетки. Даже если он продолжает активно развиваться, то может и не убивать клетку, а продолжать в ней жить. Заболевания человека Вирусы биология интерпретирует как низшее проявление жизни на планете Земля. Одним из самых простых вирусных заболеваний человека является простуда. Однако данные паразиты могут вызывать и очень серьезные заболевания, такие как СПИД или птичий грипп. вирусы и бактерии биология Каждый вирус имеет определенный механизм действия на своего хозяина. Этот процесс включает лизис клеток, который приводит к их смерти. У многоклеточных организмов при отмирании большого количества клеток начинает плохо функционировать весь организм. Во многих случаях вирусы могут и не наносить вреда человеческому здоровью. В медицине это называется латентностью. Примером такого вируса является герпес. Некоторые латентные виды способны приносить пользу. Порой их присутствие вызывает иммунный ответ против бактериальных патогенов.

8. примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля (не менее 2 заданий).

Используя конспект урока, найдите и выделите цветом по вертикали и горизонтали в филворде основные понятия втранскрипции и трансляции у прокариот. (надписи на рисунке убрать)

Правильный вариант: репрессор, оперон, субстрат, оператор, промотор.

Вставьте пропущенные слова.

Регуляция генной активности у высших организмов сложнее, чем у _____. У эукариот эти процессы регулируют ________. Они образуются в специальных клетках ______ внутренней секреции. Они регулируют синтез _______ в специальных клетках – мишенях.

Правильный вариант:

Регуляция генной активности у высших организмов сложнее, чем у бактерий. У эукариот эти процессы регулируют гормоны. Они образуются в специальных клетках желёз внутренней секреции. Они регулируют синтез РНК в специальных клетках – мишенях.

Подсказка: Еще раз посмотрите как происходит регуляция транскрипции у эукариот..

Обзор

Человеческая Т-клетка (синий), атакованная ВИЧ (желтый). Вирус ориентирован на Т-клетки, которые играют важную роль в иммунной реакции организма против вторжений, таких как бактерии и вирусы.

Автор

Редакторы

Вопрос о происхождении вирусов

Существует три основные теории возникновения вирусов:

Зарождение жизни. Идея последнего универсального общего предка: каким он мог бы быть и что ему предшествовало?

Рисунок 1. Схема трехдоменной классификации, предложенная Вёзе. В основании этой схемы должен находиться последний универсальный общий предок (англ. last universal common ancestor, LUCA).

Самый сильный аргумент в пользу существования LUCA — сохранившаяся общая система экспрессии генов (передачи наследственной информации от гена с образованием РНК или белков), одинаковая для всех живущих организмов. Все известные клеточные формы жизни используют один и тот же генетический код из 20 универсальных аминокислот и стоп-сигналов, закодированных в 64 кодонах (единицах генетического кода). Трансляция генетической информации в процессе синтеза белков по заданной матрице выполняется рибосомами, состоящими из трех универсальных молекул РНК и примерно 50 белков, из которых 20 так же одинаковы для всех организмов.

В 2010 году американский биохимик Даглас Теобальд математически проверил вероятность существования LUCA [6]. Он выбрал 23 белка, встречающихся у организмов из всех трех доменов, но имеющих разную структуру у различных видов. И исследовал эти белки у 12 различных видов (по четыре из каждого домена), после чего использовал компьютерное моделирование различных эволюционных сценариев, чтобы понять, при каком из них наблюдаемая картина будет наиболее вероятной. Оказалось, что концепция, включающая существование универсального предка, значительно вероятнее концепций, где его нет. Еще более вероятна модель, основанная на существовании общего предка, но допускающая обмен генами между видами [7].

Предположение о том, что LUCA был прокариотической клеткой, похожей на современные, часто принимается по умолчанию. Однако мембраны архей и бактерий имеют разное строение (рис. 2). Получается, что общий предок должен был обладать комбинаторной мембраной. Новая информация о мембранах LUCA появилась в 2012 году, когда несколько групп ученых подробно проанализировали историю генов всех ферментов биосинтеза компонентов липидов у бактерий, архей и эукариот [8].

Рисунок 2. Строение мембранных липидов бактерий (справа) и архей (слева)

Родственными у архей и бактерий оказались ферменты для синтеза терпеновых спиртов и пришивания полярных голов к спиртам. Значит, эти реакции мог проводить и LUCA. Проще всего было предположить, что липиды LUCA состояли из одного остатка терпенового спирта, остатка фосфата и полярной группы (серина или инозитола). Подобные липиды были синтезированы искусственно. Образующиеся из них мембраны обладают высокой подвижностью по сравнению с современными мембранами, хорошо пропускают ионы металлов и малые органические молекулы. Это могло позволять древним протоклеткам поглощать готовую органику из внешней среды даже без транспортных белков.

Реконструкции LUCA методами сравнительной геномики указывают на то, что это должен быть сложный организм без обширного ДНК-генома (геном, состоящий из нескольких сотен РНК-сегментов или ДНК провирусного типа). Но даже если считать возможность существования общего предка доказанной, остается загадкой, в какой среде он мог бы появиться.

Рисунок 3. Сценарий вирусного мира в гипотезе доклеточного происхождения вирусов подпись

Предполагается, что идеальные условия для формирования жизни существовали вблизи термальных геоисточников (морских или наземных) в виде сети неорганических ячеек, обеспечивающих градиенты температуры и рН, способствующих первичным реакциям, и предоставляющих универсальные каталитические поверхности для примитивной биохимии [10].

Эти отсеки могли быть населены разнородной популяцией генетических элементов. Вначале сегментами РНК. Затем более крупными и сложными молекулами РНК (один или несколько белок-кодирующих генов). А позднее и сегментами ДНК, которые постепенно увеличивались (рис. 3).

Такие простейшие генетические системы использовали неорганические соединения из раствора и продукты деятельности других генетических систем. Сначала они должны были подчиняться индивидуальному отбору ввиду большого разнообразия. Но ясно, что важным фактором такого отбора была способность передавать генетическую информацию, то есть, копировать себя. Присутствие одновременно в одной ячейке молекул, способных копировать РНК, кодировать полезные белки и управлять синтезом новых молекул, давало больше шансов выживать в каждой отдельной ячейке. И в такой системе рано или поздно должны были появиться паразитирующие элементы. А если это так, то вирусные элементы стоят у самых истоков эволюции [11].

Возникновение паразитов — неизбежное последствие эволюционного процесса

Рисунок 4. Схематическое представление структуры модели эволюции РНК-подобной системы. На втором этапе цепочки последовательностей начинают соединяться комплементарными связями сами с собой. В результате у двух видов (cat-C и cat-A) возникает вторичная структура молекулы, которая обладает каталитическим свойством. Она ускоряет собственную репликацию (или репликацию несвернувшихся соседей). Два вида при этом приобретают паразитические свойства (par-G и par-U). Пояснения в тексте.

Таким образом, паразитарные репликаторы способствуют эволюции разнообразия, вместо того, чтобы мешать этому разнообразию. Это также делает существующую систему репликатора чрезвычайно стабильной при эволюции паразитов.

Согласно гипотезе Черной Королевы, чтобы поддержать свое существование в постоянно эволюционирующем мире, вид должен реагировать на эти эволюционные изменения и должным образом приспосабливаться к среде. Поэтому, если мы говорим о вирусах как о паразитах, мы обязаны представлять себе взаимоотношения вируса с хозяином. В борьбе с вирусом хозяева развивают новые защитные механизмы, а паразиты отвечают, развивая механизмы для атаки и взлома защиты. Этот процесс может длиться бесконечно либо до вымирания одной из противоборствующих сторон. Так множественные системы защиты составляют существенную часть геномов всех клеточных организмов, а взлом защиты — одна из основных функций генов у вирусов с большими геномами .

Механизмы клеточной защиты против вирусов

Механизмы защиты от вирусов стандартны, поскольку все вирусы уникальны, и приспособиться к каждому не представляется возможным. Это такие механизмы как:

Деградация РНК (вирусных и клеточных) — РНК-интерференция;
Угнетение синтеза белков (вирусных и клеточных);
Ликвидация зараженных клеток — апоптоз (программируемая клеточная смерть);
Воспаление.

Получается, что клетка борется с вирусом, нарушая собственные обмен веществ и/или структуру. Защитные реакции клетки — это в основном самоповреждающие механизмы.

Вирус заражает конкретную клетку потому, что его механизмы нападения направлены именно против данного типа клеток. Это такие механизмы как:

Угнетение синтеза клеточной РНК;
Угнетение синтеза клеточных белков;
Нарушение клеточной инфраструктуры и транспорта;
Подавление/включение апоптоза и других видов клеточной смерти.

Схемы защитных приемов клетки и противозащиты вирусов во многом идентичны. Вирусы и клетки применяют одни и те же приемы. Для подавления синтеза вирусных белков клетка использует интерферон, а чтобы подавить образование интерферона, вирус угнетает синтез белков.

Поскольку узнавание вируса неспецифическое, клетка не может знать намерения конкретного вируса. Она может бороться с вирусом лишь стандартными приемами, поэтому ее оборонные действия часто могут быть чрезмерными.

Понятие о вирусном геноме, типы вирусных генов, концепция генов-сигнатур

В исследовании, проведенном вирусологом Евгением Куниным и его коллегами [16], анализ последовательностей вирусных геномов выявил несколько категорий вирусных генов, принципиально отличающихся по происхождению. Можно обсуждать, какая степень дробности классификации оптимальна, но четко различаются пять классов, укладывающихся в две более крупные категории.

Гены с четко опознаваемыми гомологами у клеточных форм жизни:

Гены, присутствующие у узких групп вирусов (обычно это гены, гомологичные генам хозяев этих вирусов).
Гены, консервативные среди большой группы вирусов или даже нескольких групп и имеющие относительно отдаленные клеточные гомологи.

Таким образом, отличительные особенности генов-сигнатур:

Происхождение из первичного пула генов;
Наличие лишь очень отдаленных гомологов среди генов клеточных форм жизни, из чего можно сделать вывод, что они никогда не входили в геномы клеточных форм;
Необходимость для репродукции вирусов.

Из всего вышесказанного следует, что эти гены переходили от вируса к вирусу (или к элементу, подобному вирусу) на протяжении четырех миллиардов лет эволюции жизни, а вирусные геномы появились благодаря перемешиванию и подгонке друг к другу генов в гигантской генетической сети, которую представляет собой мир вирусов. Многочисленные гены клеточных форм жизни также пронизывают эту сеть, прежде всего благодаря геномам крупных вирусов, таких как NCDLV и крупным бактериофагам, которые позаимствовали множество генов от своих хозяев на разных этапах эволюции. Однако большинство заимствованных генов сами по себе не критичны для репликации и экспрессии вирусного генома (исключая некоторые случаи возможного неортологичного замещения генов-сигнатур); обычно эти гены участвуют во взаимодействии между вирусом и хозяином. Таким образом, несмотря на интенсивный взаимообмен генами с хозяевами, вирусы всегда происходят от других вирусов.

Вирусы, встроенные в геном, и горизонтальный перенос генов

В процессе эволюции многие вирусы встроились в геномы клеточных форм жизни путем горизонтального переноса генов (ГПГ). Впервые горизонтальный перенос был описан в 1959 году, когда ученые продемонстрировали передачу резистентности к антибиотикам между разными видами бактерий. В 1999 году Рави Джайн, Мария Ривера и Джеймс Лейк в своей статье писали о произошедшей значительной передаче генов между прокариотами [17]. Этот процесс, по-видимому, оказал некоторое влияние также и на одноклеточные эукариоты. В 2004 году Карл Вёзе опубликовал статью, в которой утверждал, что между древними группами живых организмов происходил массивный перенос генетической информации. В древнейшие времена преобладал процесс, который он называет горизонтальным переносом генов. Причем, чем дальше в прошлое, тем это преобладание сильнее [18].

Горизонтальный перенос генов — процесс, в котором организм передаёт генетический материал другому организму, не являющемуся его потомком. Горизонтальная передача генов реализуется через различные каналы генетической коммуникации — процессы конъюгации, трансдукции, трансформации, переноса генов в составе плазмидных векторов, вирусов, мобильных генетических элементов (МГЭ).

Трансдукция — перенос бактериофагом (агентами переноса генов, АПГ) в заражаемую клетку фрагментов генетического материала клетки, исходно содержавшей бактериофаг [19]. Такой бактериофаг обычно переносит лишь небольшой фрагмент ДНК хозяина от одной клетки (донор) к другой (реципиент). В зависимости от типа трансдукции — неспецифической (общей), специфической или абортивной, геном фага или хозяина-бактерии может быть изменен тем или иным образом:

При неспецифической трансдукции (рис. 5) ДНК клетки-хозяина включаются в частицу фага (дополнительно к его собственному геному или вместо него);
При специфической трансдукции гены фага замещаются генами хозяина;
При абортивной трансдукции внесённый фрагмент ДНК донора не встраивается в ДНК хозяина-реципиента, а остаётся в цитоплазме и не реплицируется. Это приводит к тому, что при клеточном делении он передаётся только одной из дочерних клеток и затем теряется в потомстве.

Рисунок 5. Схема общей трансдукции

Наиболее известным примером специфической трансдукции служит трансдукция, осуществляемая фагом λ. Поскольку этот фаг при переходе в состояние профага включается в хромосому бактерий между генами, кодирующими синтез галактозы и биотина, именно эти гены он может переносить при трансдукции.

Вот несколько примеров важных эволюционных событий, связанных с молекулярным одомашниванием:

Ферменты теломеразы, служащие для восстановления концевых участков хромосом, возможно, ведут свое происхождение от обратных транскриптаз, кодируемых ретровирусами и ретротранспозонами [22];
Белки RAG, играющие ключевую роль в системе адаптивного иммунитета, по-видимому, происходят от прирученных транспозаз — ферментов, кодируемых транспозонами;
Ген Peg10, необходимый для развития плаценты, был позаимствован древними млекопитающими у ретротранспозона (рис. 6) [23].

Рисунок 6. Роль гена Peg10 в эмбриональном развитии. Ученые под руководством Рюичи Оно из Токийского медицинского университета Японии показали, что у мышей с выключенным геном Peg10 нарушается развитие плаценты, от чего эмбрион погибает через 10 дней после зачатия [24].

В 2008 году в ходе целенаправленного поиска неиспорченных вирусных генов в геноме человека исследователи нашли два очень похожих друг на друга ретровирусных гена (их назвали ENVV1 и ENVV2), которые, по всей видимости, находятся в рабочем состоянии [25]. Это гены белков оболочки ретровируса. Каждый из них входит в состав своего эндогенного ретровируса (ЭРВ), причем все остальные части этих ЭРВ давно не функционируют.

Вирусные гены ENVV1 и ENVV2 у человека и обезьян работают в плаценте и, скорее всего, выполняют следующие функции:

Таким образом, как минимум три полезных применения нашли себе вирусные гены в плаценте приматов. Это показывает, что генетические модификации, которым ретровирусы подвергают организмы, в долгосрочной перспективе могут оказаться полезными или даже определить развитие вида. И с учетом всего вышесказанного древо доменов должно выглядеть как на схеме ниже (рис. 7).

Рисунок 7. Горизонтальный перенос генов в рамках трехдоменного дерева

Заключение

Возникновение паразитов — обязательная черта эволюционирующих систем репликаторов, а соревнование хозяев и паразитов движет эволюцию тех и других. Любой организм является результатом миллионов лет борьбы клеток с невероятно разнообразным миром вирусов. Их действия и их эволюция пронизывают всю историю клеточной эволюции, и сейчас меняется само наше представление о них. Когда-то вирусы считали деградировавшими клетками, но чем больше мы узнаем о вирусах, тем очевиднее, что их роль в общей эволюции значительна. И невероятно много нам еще предстоит узнать.

Генная инженерия представляет собой новое направление в сфере молекулярной биологии, которое получило широкое распространение во многих сферах медицины и биологии относительно недавно.

Генная инженерия позволяет целенаправленно, по заранее намеченной программе, экспериментально модифицировать геном с использованием генетической информации из разных гетерологических систем: вирусов, бактерий, насекомых, животных и человека. Применяя методы генной инженерии, ученые способны модифицировать структуру генов, а также создавать гибридные гены.

Следует отметить огромный вклад генной инженерии в улучшение сферы медицинского обслуживания. Так, благодаря генной инженерии стало возможным создание новых диагностических препаратов, вакцин и препаратов для заместительной терапии, а также лечение наследственных заболеваний. Применение генной терапии в лечении такой патологии как первичные иммунодефициты является единственным терапевтическим методом, обеспечивающим полное излечение, что значительно улучшает качество жизни пациентов и снижает риск летального исхода. В последнее время рассматриваются новые варианты применения генной инженерии в трансплантологии и редактировании генома эмбрионов. Возможность применения этой инновационной технологии порождает множество биоэтических вопросов. Считаю, что анализ предполагаемых последствий применения генной инженерии для общества должен создавать рамки возможного вмешательства в геном организмов.

Среди многих достижений генной инженерии, получивших применение в медицине, наиболее значимое — получение человеческого инсулина в промышленных масштабах. Генные инженеры в качестве первой практической задачи решили клонировать ген инсулина. Клонированные гены человеческого инсулина были введены с плазмидой в бактериальную клетку, где начался синтез гормона, который природные микробные штаммы никогда не синтезировали.

Использование генно-инженерного инсулина не вызывало каких-либо патологических реакций в организме, в том числе и иммунопатологических, которые часто наблюдались у пациентов, использующих в терапии диабета инсулин животного происхождения. Масштабное использование генно-инженерного инсулина значительно снизило летальность от диабета, в особенности у пациентов детского возраста, так как именно у этой категории населения преимущественно развивается инсулинозависимый диабет 1 типа. Следующими разрабатываемыми генно-инженерными препаратами были интерфероны и интерлейкины, используемые в терапии вирусных и онкологических заболеваний.

Около 200 новых диагностических препаратов уже введены в медицинскую практику, и более 100 генно-инженерных лекарственных веществ находятся на стадии клинических исследований. Среди них лекарства, используемые в терапии артрозов, сердечно-сосудистых заболеваний, онкологических заболеваний.

Сферы использования генной инженерии в медицине значительно расширяются. Так актуальной является возможность применения генной инженерии в диагностике и терапии наследственных заболеваний.

В настоящее время известно более 4000 наследственных заболеваний, для большинства из которых не найдено эффективных способов лечения. Генные инженеры разрабатывают диагностические препараты, позволяющие обнаруживать генетические аномалии в период беременности, что дает возможность предотвратить рождение ребенка с генетической аномалией [4].

Так в 1989 году в Национальных Институтах Здоровья США впервые была предпринята попытка применить в клинической практике генную терапию для лечения пациентов с диагнозом тяжелая комбинированная иммунная недостаточность (ТКИН). Наиболее обнадеживающие результаты ожидают в тех случаях, когда заболевание обусловлено дефектом одного гена. В этом случае полагают, что удастся вводить нормальный ген в соматические клетки прицельно в то место на хромосоме, где находится дефектный ген. При гомологичной рекомбинации введенный ген заместит дефектный. Такой однократной процедуры в ряде случаев будет достаточно, чтобы излечить болезнь. Однако на практике очень трудно проконтролировать судьбу введенной в клетки ДНК, и на одно правильное встраивание в геном приходится более 1000 случайных. Разрабатывается и другой подход, когда введенный ген не заменяет дефектный, а компенсирует его функцию, встраиваясь в хромосому в другом месте.

Инновационной технологией в редактировании генома является технология CRISPR. По причине легкости редактирования генома с использованием технологии CRISPR существует значительный интерес к перспективам редактирования генома эмбриона человека.

Основной метод применения технологии CRISPR — доставка редактирующих агентов в клетки эмбриона, созданного путем оплодотворения in vitro. В последствии может оказаться более целесообразным и этически приемлемым редактировать гаметогенные клетки-предшественники у будущих родителей. Преимущество зародышевой коррекции аллелей генов, соответствующих патологическим состояниям, заключается в том, что они навсегда исчезнут из генома.

Еще одной сферой использования генной инженерии в медицине является CAR-T-терапия. На сегодняшний день одним из наиболее перспективных направлений в терапии онкологических заболеваний является адоптивная клеточная иммунотерапия. При проведении такой терапии выделяют, активируют и размножают аутологичные T-лимфоциты, а затем вводят их обратно пациенту, что приводит к частичной регрессии или эрадикации опухоли. Введение Т-клеток, модифицированных химерными антигенными рецепторами (CAR-T-клеток), является одним из наиболее активно развивающихся направлений иммуноонкологии [6]. CAR-T-клетки представляют собой генетически модифицированные собственные Т-клетки пациентов, которые содержат химерный антигенный рецептор. Этот рецептор содержит в себе часть антитела, специфического к антигену опухоли и часть, рецептора Т-клеток. С использованием CAR-T-терапии получены обнадеживающие результаты при гематологических опухолевых заболеваниях. Так, клинические испытания CAR-T-клеток, направленных против В-лимфоцитарного антигена CD19, показали их эффективность при лечении резистентных к химиотерапии опухолей В-клеточного происхождения.

Биоэтические проблемы

С точки зрения биоэтики возникает ряд вопросов о допустимости применения генной инженерии по отношению к человеку. Помимо биоэтических проблем существует ряд дополнительных вопросов как в непосредственно самой процедуре генетической модификации клеток организма человека, так и в отдаленных последствиях этой процедуры для отдельного человека и для человеческой популяции в целом.

Использование генной терапии в лечении наследственных заболеваний также сопровождается рядом проблем, так при лечении некоторых заболеваний отдаленным последствием такой терапии является развитие онкологических заболеваний.

Обратной стороной CAR-T-терапии является высокий риск возникновения системных и опасных для жизни побочных эффектов, в первую очередь, гиперцитокинемии (цитокиновый шторм, цитокиновый каскад, синдром выброса цитокинов и синдром лизиса опухоли). Эти осложнения могут спровоцировать развитие синдрома полиорганной недостаточности и, как следствие, привести к летальному исходу. Еще одна существенная проблема применения CAR-T-терапии – неспецифическая цитотоксичность, особенно актуальная в случае терапии солидных опухолей, к которым крайне сложно подобрать специфичные антигены. Неспецифическая цитотоксичность обусловлена развитием интенсивной и быстрой кросс-реакции введенных Т-клеток на здоровые клетки, что часто приводит к летальному исходу.

Примером этических суждений о конкретных последствиях может служить то, что граница между лечением и улучшением в области медицинской генетики не является очевидной, и улучшающая генная инженерия сама по себе может быть благом, но угрозу представляет социальное неравенство относительно распределения выгод генной инженерии так как это может привести к созданию серьезной и необратимой несправедливости. Любые генно-инженерные процедуры будут доступны в первую очередь для развитых стран, в то время как страны третьего мира будут лишены возможности использования генно-инженерных технологий.

Отдельные генетические последовательности, пригодные для улучшающей генной инженерии людей, в будущем могут быть запатентованы. Рынок улучшающей генной инженерии представляется перспективным: все люди будут заинтересованы в улучшении параметров своего потомства, но, иметь доступ к таким процедурам в первую очередь будут жители развитых стран.

Использование генной инженерии приведет не только к усугублению неравенства между жителями отдельных стран, но и к расслоению общества внутри этих стран. Генетически привилегированные люди могут стать не стареющими, здоровыми супер гениями безупречной физической красоты, отличающимися блестящим остроумием и обезоруживающим, умаляющим чувство собственного достоинства юмором, излучающими тепло, эмпатический шарм и ослабленную непоколебимость. Непривилегированные останутся сегодняшними людьми, возможно, не имеющими чувства самоуважения и страдающими от случайных приступов зависти. Мобильность между низшими и высшими классами может исчезнуть, и ребенок, рожденный в бедной семье, не имеющий генетического усовершенствования, не сможет успешно соперничать с супер детьми богатых родителей. Даже если не случится дискриминация или эксплуатация низшего класса, все еще будет что-то разрушительное в перспективе общества с такими крайними формами неравенства.

Примерами категорических суждений являются изменение уникальности и ценности личности человека, подвергшегося воздействию генной инженерии, а также дискриминация по отношению к еще не родившемуся ребенку, в случае проведения генно-инженерных процедур на зародышевой линии.

В воспроизводстве наиболее важными вопросами являются интересы ребенка, который не может дать свое предварительное согласие или свободно вступать в любую форму договора. Ведь эмбрион является будущей личностью, которая не давала разрешения на проведение опытов.

Еще одним вопросом является то, что сегодня никто не может даже приблизительно оценить те последствия, которые повлечет за собой размножение живой материи, созданной искусственно.

Экспертами в области биоэтики также рассматривается вероятность создания биологического оружия при использовании генной инженерии. Наиболее часто рассматриваются варианты создания генно-модифицированных организмов в качестве инфекционного агента, приводящего к развитию пандемий.

Также хочется осветить биоэтические вопросы генетического тестирования. Наиболее глубокие проблемы, относящиеся к прогнозированию, лежат в сфере здравоохранения, где проводится генетическое тестирование. Генные технологии имеют отношение к правам человека и в судебных случаях — например, при установлении отцовства или материнства и при идентификации подозреваемых преступников. Права человека нарушаются и тогда, когда насильственное или даже добровольное тестирование методами генной технологии может представлять угрозу частной жизни индивида, если информация помещается в общедоступную базу данных. Нарушение прав человека в данном случае состоит в том, что подозреваемым становится любой, кто отказывается подвергнуться ДНК-тестированию.

Двигаться вперед или остановиться? Предлагаем поразмышлять….

Автор — Валерия Пугачева

Лещинская, И. Б. Генетическая инженерия / И. Б. Лещинская // Соросовский образовательный журнал. – 1996. – № 1. – С. 32-394.

Мохов, А. А. Использование технологии геномного редактирования: достижения и перспективы / А. А. Мохов, А. А. Чапленко, А. Н. Яворский // Биомедицина. – 2019. – Т. 15, № 2. – С. 34-42.

Молекулярные подходы к безопасной и контролируемой Т-клеточной терапии / Р. С. Калинин [и др.] // Acta Naturae. – 2018. – Т. 10, № 2. – С. 17-25.

Воронцова, З. И. Философские и социокультурные проблемы биогенных технологий / З. И. Воронцова // Новые технологии. – 2009. – № 4. – С. 13-19.

Найдыш, В. М. Философские проблемы антропогенетики генной инженерии (статья вторая) / В. М. Найдыш, Е. Н. Гнатик // Вестник РУДН. – 2009. – № 3. – С. 31-38.

Воронцов, С. А. Морально-этические проблемы развития биотехнологии / С. А. Воронцов // Вестник молодежной науки. – 2017. – Т. 5, № 12. – С. 22-27.

International Union of Immunological Societies: 2017 Primary Immunodeficiency Diseases Committee Report on Inborn Errors of Immunity / C. Picard [et al.] // J. Clin. Immunol. – 2018. – Vol. 38, N 1. – P. 96-128.

Первичные иммунодефициты: принципы терапии и организации медицинской помощи / Н. Chapel [et al] // Frontiers in Immunology. – 2014. – Т. 5, № 12. – С. 1-15.

Современные направления биотехнологии предполагают внедрение в клетку, в процессы метаболизма, перестройку генов. За использованием подобных манипуляций стоит желание человека добиться создания необходимых продуктов питания и химических веществ. Биотехнология – наука затратная, которая требует не только финансовых вложений, но и фундаментальных знаний в области биологии.

Клеточная инженерия

Клеточная инженерия предполагает создание клеток нового типа путем их культивирования, гибридизации и реконструкции. Клетки видоизменяют, вводя в них новые хромосомы, ядра, клеточные органоиды.

Направления деятельности клеточной инженерии

Клеточная инженерия научилась культивировать (выращивать) изолированные клетки и ткани на специально подобранной питательной среде в контролируемых условиях (влажность, температура, освещенность). Из одной клетки таким путем получают полноценное растение или клеточную массу (каллус). Такие эксперименты проводят благодаря способности растительной клетки к регенерации и чаще всего применяют для с/х растений и лекарственных трав.

Селекция и клеточная инженерия относятся к неразделимым понятиям. В селекции применяют новые, не стандартные методики:

соматическая гибридизация;
гаплоидия;
селекция на уровне клеток;
преодоление не скрещиваемости сортов или видов растительных культур.

Такие способы позволяют экспериментировать и создавать новые гибриды и сорта, которые невозможно получить традиционными путями, используя только методы селекции.

Генетическая инженерия

Фрагмент молекулы ДНК - носителя наследственной информации в клетке

Генная инженерия, соединив достижения химии и генетики, помогает:

расшифровывать структуру гена;
синтезировать новые гены;
вставлять в живые клетки синтезированные гены, с заранее продуманной программой, для изменения их наследственных свойств.

Внедрение гена из одного организма в другой требует выполнение цепочки последовательных действий:

Выращены трансгенные животные, содержащие геном с не родными генами. Уже получены трансгенные мыши, кролики, свиньи, овцы. Они содержат ДНК, в которой работают чужеродные гены разного происхождения. Животные и растения в качестве наследственного материала получают гены бактерий, дрожжей, млекопитающих, человека.

Важно! Трансгенные организмы устойчивы к факторам внешней среды, вредителям и болезням, наделены теми чертами, которые запрограммировал в них человек.

Клонирование

Удачные эксперименты по клонированию, проведенные на овцах

К сведению: Иногда клонирование путают с искусственным оплодотворением, когда оплодотворенную яйцеклетку вводят в матку будущей матери (родной или суррогатной). Это метод решения проблемы бесплодия, но он не относится к клонированию.

Читайте также: