Лекция тема Использование днк-технологий в животноводстве. Использование днктехнологий в животноводстве
 Скачать 61 Kb.
|
|
ЛЕКЦИЯ Тема: Использование ДНК-технологий в животноводстве Вопросы: 1. Возникновение, становление и развитие ДНК-технологий. Полимеразно-цепная реакция – как метод исследования ДНК. 2. Основные направления использования ДНК-технологий в животноводстве. 3. Современные инновационные проекты ДНК-технологий в животноводстве. Современная биотехнология, основанная на методах молекулярной биологии, по сути, ДНК-технологиях, занимает ведущее положение в системе биологических, ветеринарных и зоотехнических исследований. Основная цель и задачи ДНК-технологий направлены на разработку методов и приемов, позволяющих получать биологически активные соединения (ферменты, гормоны), а также конструировать молекулы новых веществ и создавать новые формы организмов, отсутствующие в природе (химерные молекулы, трансгенные животные). Использование достижений ДНК-технологий идет в основном в следующих направлениях:
1. Возникновение, становление и развитие ДНК-технологий. Полимеразно-цепная реакция – как метод исследования ДНК В результате открытия в 1953 году Д.Уотсоном и Ф.Криком структуры дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) - носителя наследственной информации живых существ, описания комплементарности ее организации, стал понятен и объясним принцип генетики наследственности, что явилось основой новой области науки и технологий – ДНК-технологий. В общем, все методы ДНК-технологи, связанные с созданием новых генных конструкций и на их основе новых организмов, основаны на искусственном воспроизведении процессов, реально существующих в живой природе. Исследователи, по сути, не придумывая ничего нового, лишь используют приемы многократно реализованных в процессе эволюции живых организмов – изменчивость, наследственность и отбор. Настоящий переворот в молекулярной генетике произошел с момента открытия, удостоившегося Нобелевской премии, Кери Мюллисом с соавт. в 1986 году метода полимеразной - цепной реакции - ПЦР (polymerize chain reaction- PCR). В основе метода ПЦР лежит способность ДНК-полимераз, осуществлять направленный синтез второй, т.е. комплиментарной цепи ДНК, по имеющейся матрице одноцепочной ДНК, наращивая небольшую олигонуклеотидную затравку (праймер), комплементарную участку этой матрицы, до размеров несколько тысяч или даже десятков тысяч звеньев. Собственно как метод ПЦР возникла когда стали использовать не просто ДНК- полимеразу, а так называемую термостабильную, которая была выделена из термофильной бактерий Thermus aquaticus (Taq), обитающих в горячих источниках, а позднее и биомассы действующих вулканов. Температурный оптимум работы фермента находится в области 70-720С. Каждый цикл ПЦР состоит из трех этапов. На первом этапе необходимо денатурировать ДНК, для чего реакционную смесь нагревают до 92-950С, в результате двуцепочные молекулы ДНК расплетаются с образованием двух одноцепочных молекул. На втором этапе происходит отжиг (присоединение праймеров к ДНК- мишени с образованием коротких двухцепочных участков ДНК, необходимых для инициации синтеза). С образовавшимися комплексами праймер-матрица связывается ДНК- полимераза и на третьем этапе происходит одновременное копирование ДНК с двух праймеров, комплементарных участкам ДНК на противоположных цепях. Двунитевые фрагменты ДНК, равные по длине расстоянию между двумя праймерами, начинают накапливаться после третьего цикла. Важно, что синтезированные в ходе первого цикла ПЦР цепи ДНК также служат матрицами для второго цикла амплификации. Таким образом, происходит накопление ампликонов в реакционном растворе, теоретически в геометрической прогрессии. Даже если в исходном растворе первоначально находилась только одна двухцепочная молекула ДНК, то за 30-40 циклов синтезируется столько молекул ампликона, что их концентрация достигается 10-20 мкг/мл. Этого количества достаточно для достоверного визуального обнаружения продукта ПЦР методом электрофореза в агарозном или полиакриламидном геле. Полимеразная цепная реакция в настоящее время является наиболее совершенным диагностическим методом молекулярной биологии и широко применяемым в ДНК-технологиях. 2. Основные направления использования ДНК-технологий в животноводстве. Одним из основных направлений ДНК-технологий в области животноводства, имеющее практическое значение, является создание трансгенных животных, т.е. животных в геном которых «встроен» чужеродный ген. Получение даже одного животного с унаследованным пересаженным геном считается большим достижением. Такое животное рассматривают как основу для создания новой линии. В настоящее время созданы так называемые «фармакологические» животные, а именно:
В 1988 году впервые были получены трансгенные овцы, производящие с молоком фактор свертывания крови, лечебное средство необходимое для людей больных гемофилией. В последующий период в мире было создано около 20 типов трансгенных коров, коз, свиней, овец и кроликов. Они продуцировали такие ценнейшие фармацевтические вещества, как тканевой плазминогенный активатор, моноклональные антитела, эритропоэтин, инсулиноподобный фактор роста, интерлейкин, антитрипсин..
Ученые Института биологии гена РАН совместно с коллегами из Белоруссии в рамках программы Союзного государства "Разработка технологий и организация опытного производства высокоэффективных и биологически безопасных лекарственных средств нового поколения и пищевых продуктов на основе лактоферрина человека, получаемого из молока животных-продуцентов" создали трансгенных животных, которые дают молоко с человеческим белком лактоферрином (проект стал резидентом инновационного проекта "Сколково"). Одно из направлений связано с интеграцией чужеродных генов, продуцирующих биологические регуляторы обмена веществ. Получен ряд с.-х. животных с интегрированным геном гормона роста-регулятора, связанного с активацией анаболизма белка и ингибированием процессов липогенеза. В частности, свиньи с интегрированным геном рилизинг-фактора гормона роста характеризуется повышенными темпами роста в более поздних стадиях развития и большим содержанием белка в туше. Получены трансгенные рыбы с интегрированным геном гормона роста КРС, которые характеризуются более интенсивным ростом, перепелки с интегрированным этим геном характеризуются большим весом яиц. Другим направлением генно-инженерной селекции является создание трансгенных животных, генетически устойчивых к ряду инфекционных заболеваний. Это достигается путем выделения генов у животных, которые обеспечивают невосприимчивость к определенным инфекциям и интеграция их в геном других животных. Примером может служить Мх ген мышей, который обеспечивает невосприимчивость их к гриппу. Такие работы проводятся и в России – получены свиньи с интегрированным Мх геном, изучается их фенотип. Начаты исследования по получению трансгенной птицы, устойчивой к вирусу гриппа. Перспективным направлением генно-инженерной селекции является получение трансгенов, продуцирующих БАВ, необходимые в медицине, в том числе и ветеринарии, пищевой промышленности и т.д. Развивается еще одно интересное направление в генной инженерии сельскохозяйственных животных. Это – получение животных, так называемых фенотрансгенов, у которых трансгенными являются клетки определенных органов и тканей. Особый интерес в этом отношении представляют секреторные клетки молочной железы. В настоящее время уже получены коровы, свиньи, секреты клетки молочных желез которых производят эритропоэтин и интерферон. Это направление будет иметь значение и для развития методов генотерапии животных и человека. 3. Современные инновационные проекты ДНК-технологий в животноводстве: – генетическое картирование для отбора высокопродуктивных особей и включения их в селекционные программы (в США и других развитых странах животные отбираются по 4 тыс. ДНК-маркерам); – создание генетически модифицированных коров, овец и свиней с пониженным содержанием жира и повышенным содержанием постного мяса; – получение большего количества овечьей шерсти за счет скармливания овцам генетически модифицированный люпина; – получение генетически модифицированной люцерны, стимулирующей специфический иммунитет у свиней к опасной кишечной инфекции; – получение вакцины, которая могла бы послужить альтернативой кастрации скота (обеспечить стерилизацию животных без хирургического вмешательства, не оказывая при этом негативного влияния на их рост). - получение трансгенной птицы, устойчивой к птичьему гриппу. Одним из важных направлений ДНК-технологий является картирование геномов сельскохозяйственных животных. С 90-х годов 17 лабораториями из 9 стран реализуется программа картирования генома свиньи (Пиг Меп), несколько позже запущена аналогичная программа по геному крупного рогатого скота, в ее участии принимает 30 лабораторий из 13 государств. В США финансируется национальный проект по картированию геномов КРС, свиньи, овцы, курицы. Новая Зеландия активно разрабатывает программу по картированию генома овцы. К главным задачам картирования относятся: - изучение положения локуса гена на конкретной хромосоме; - определение генетического расстояния между генами, расположенными на одной хромосоме; - выявление полиморфизм генов, т.е. всех аллельных вариантов; - определение нуклеотидной последовательности генов, распределения в них интронов и экзонов, а также межгенетических последовательностей. Развитие направления по картированию связано с усовершенствованием методов гибридизации in situ ДНК с меченными флуоресцентными красителями зондами. Методика включает: - клонирование ДНК зонда известной последовательности и его мечение; - денатурация на препарате метафазных хромосом зонда и самих хромосом; - непосредственно их гибридизация и фиксирование на препарате меченой метки зонда; - инедтификация хромосомы. В последнее время для картирования структурных генов или анонимных последовательностей небольшой длины до нескольких сот пар нуклеотидов стали применять метод ПЦР с использованием меченых нуклеотидов. Основополагающей проблемой повышения эффективности селекционного процесса является изучение детерминант формирования высокой продуктивности и использования молекулярно-генетических маркеров в генетическом мониторинге и управлении селекционным процессом. Разработка этой проблемы предусматривает решение задач по установлению связи локусов генома сельскохозяйственных животных с хозяйственно-ценными признаками и отбору значимых для селекционных целей маркеров высокой продуктивности MAS (Marker Assisted Selection). Многие фенотипические признаки, к которым относятся количественные признаки (QTL – quantity trade loci) сельскохозяйственных животных, является результатом интегрального взаимодействия многих генов. Поэтому при поиске хозяйственно-полезных признаков продуктивности, наиболее информативным является подход позиционного картирования, позволяющий одновременно оценивать состояние многих элементов генома, представленных на всех хромосомах. Таким образом, современными ДНК-технологиями в животноводстве, включают: - создание новых форм организмов в целях получения животных-продуцентов терапевтически важных для человека белков; - селекцию с помощью молекулярно-генетических маркеров MAS, предусматривающую картирование, маркирование главных количественных признаков – QTL; - сохранение биоразнообразия с использованием молекулярно-генетических маркеров; - разработку генетически обоснованных программ разведения и подбора родительских форм; - молекулярно-генетический скрининг наследственных заболеваний сельскохозяйственных животных; |