Генная инженерия: проблемы и успехи. Современное представление о гене
 Скачать 474.32 Kb.
|
|
Размещено на http://www.allbest.ru/ Содержание Введение Современное представление о гене 1. Строение гена 2. Основные понятия и методы генетики Генная инженерия 2.2 Возможности генной инженерии, проект «Геном человека». 3. Преимущества генной инженерии 3.1 Наиболее впечатляющие достижения 3.2 Генетически модифицированные продукты 3.3 Экологические риски 3.4 Медицинские риски 3.5 Социально-экономические риски 4. Научные факты опасности генной инженерии Заключение Литература Введение Генетика по праву может считаться одной из самых важных областей биологии. На протяжении тысячелетий человек пользовался генетическими методами для улучшения полезных свойств возделываемых растений и выведения высокопродуктивных пород домашних животных, не имея представления о механизмах, лежащих в основе этих методов. Судя по разнообразным археологическим данным, уже 6000 лет назад люди понимали, что некоторые физические признаки могут передаваться от одного поколения другому. Отбирая определенные организмы из природных популяций и скрещивая их между собой, человек создавал улучшенные сорта растений и породы животных, обладавшие нужными ему свойствами. Однако позже ученые стали осознавать в полной мере важность законов наследственности и ее механизмов. Хотя успехи микроскопии позволили установить, что наследственные признаки передаются из поколения в поколение через сперматозоиды и яйцеклетки, оставалось не ясным, каким образом мельчайшие частицы протоплазмы могут нести в себе «задатки» того огромного множества признаков, из которых слагается каждый отдельный организм. генный инженерия геном человек Генетика оформилась как наука после переоткрытия законов Менделя. Памятной датой в биологии стала весна 1953 года. Исследователи американец Д.Уотсон и англичанин Ф.Крик расшифровали «святая святых» наследственности — ее генетический код. Именно с той поры слово «ДНК» - дезоксирибонуклеиновая кислота стало известно не только узкому кругу ученых, но и каждому образованному человеку во всем мире. Бурный вековой период ее развития ознаменован в последние годы расшифровкой нуклеотидного состава «молекулы жизни» ДНК у десятков видов вирусов, бактерий, грибов и многоклеточных организмов. Полным ходом идет секвенирование (установление порядка чередования нуклеотидов) ДНК хромосом важных культурных растений — риса, кукурузы, пшеницы. В начале 2001 года было торжественно возвещено о принципиальной расшифровке у человека всего генома — ДНК, входящей в состав всех 23 пар хромосом клеточного ядра. Эти биотехнологические достижения сравнивают с выходом в космос. Дезоксирибонуклеидовая кислота, или ДНК, впервые была выделена из клеточных ядер. Поэтому ее и назвали нуклеиновой (греч. Nucleus — ядро). ДНК состоит из цепочки нуклеотидов с четырьмя различными основаниями: аденином (А), гуанином (G), цитозином (С) и тимином (Т). ДНК почти всегда существует в виде двойной спирали, то есть она представляет собой две нуклеотидные цепи, составляющие пару. Вместе их удерживант так называемая комплементарность пар оснований. «Комплементарность» означает, что когда А и Т в двух цепях ДНК расположены друг против друга, между ними спонтанно образуется связь. Аналогично комплиментарную пару образуют G и С. В клетках человека содержится 46 хромосом. Длина генома человека (все ДНК в хромосомах) может достигать двух метров и состоит из трех миллиардов нуклеотидных пар. Ген — это единица наследственности. Он представляет собой часть молекулы ДНК и содержит закодированную информацию об аминокислотной последовательности одного белка или рибонуклеиновой кислоты (РНК). Сообщение ученых о том, что им удалось расшифровать структуру этой большой молекулы, объединило в целое разрозненные до того результаты исследований в биохимии, микробиологии и генетике, проводящихся на протяжении полувека. В последние десятилетия человечество наблюдает за стремительным прогрессом генетики. Эта наука давно стала важнейшим достоянием человечества, к которому обращены надежды миллионов людей. Генная терапия наследственных болезней, перенос генов из одних видов в другие (трансгенозис), молекулярная палеогенетика — другие впечатляющие реалии науки в конце ее 100-летней истории. Генетическая инженерия и биотехнология, подержанные эффективной публичной пропагандой, трансформировали облик генетики. В 80-е годы ученые брались за расшифровку только коротких молекул ДНК: вирусных, митохондриальных или плазмидных. (Плазмида — кольцевая молекула ДНК, находящаяся в цитоплазме бактерий и состоящая из небольшого количества генов.) Но первые шаги были сделаны. И вот тогда в 1988 году наиболее отчаянные исследователи выступили с предложением — расшифровать геном человека. После 1998 года началась беспрецедентная гонка между 1100 учеными мирового сообщества проекта «Геном человека» и частной акционерной фирмой «Celera Genomics» - кто первым установит весь геном человека. Фирма, сконцентрировав мощную компьютерную базу и робототехнику, вырвалась вперед. Однако ее явные намерения извлекать выгоду от патентования состава фрагментов ДНК человека были пока благоразумно приостановлены вердиктом: «Что создано Природой и Богом, не может патентоваться человеком».Финансирование гонки и участие в ней тысяч специалистов основаны прежде всего на вере, что в генетике и биологии сейчас нет ничего более настоятельного, нежели тотальная расшифровка нуклеидного состава ДНК, что напрямую может решить главные загадки и проблемы генетики и биологии. 1. Современные представления о гене Подобно тому, что в физике элементарными еденицами вещества являются атомы, в генетике элементарными дискретными еденицами наследственности и изменчивости являются гены. Хромосома любого организма, будь то бактерия или человек, содержит длинную (от сотен тысяч до миллиардов пар нуклеотидов) непрерывную цепь ДНК, вдоль которой расположено множество генов. Установление количества генов, их точного местоположения на хромосоме и детальной внутренней структуры, включая знание полной нуклеотидной последовательности, - задача исключительной сложности и важности. Ученые успешно решают ее, применяя целый комплекс молекулярных, генетических, цитологических, имуногенетических и других методов. 1.1 Строение гена Согласно современным представлениям, ген, кодирующий синтез определенного белка, у эукариот состоит из нескольких обязательных элементов. Прежде всего, это обширная регуляторная зона, оказывающая сильное влияние на активность гена в той или иной ткани организма на определенной стадии его индивидуального развития. Далее расположен непосредственно примыкающий к кодирующим элементам гена промотор — последовательность ДНК длиной до 80-100 пар нуклеотидов, ответственная за связывание РНК-полимеразы, осуществляющей транскрипцию данного гена. Вслед за промотором лежит структурная часть гена, заключающая в себе информацию о первичной структуре соответствующего белка. Эта область для большинства генов эукариот существенно короче регуляторной зоны, однако ее длина может измеряться тысячами пар нуклеотидов. Важная особенность эукариотических генов — их прерывистость. Это значит, что область гена, кодирующая белок, состоит из нуклеотидных последовательностей двух типов. Одни — экзоны — участки ДНК, которые несут информацию о строении белка и входят в состав соответствующих РНК и белка. Другие — интроны, - не кодируют структуру белка и в состав зрелой молекулы и -РНК не входят, хотя и транскрибируются. Процесс вырезания интронов - «ненужных» участков молекулы РНК и сращивания экзонов при образовании и -РНК осуществляется специальными ферментами и носит название сплайсинг (сшивание, сращивание). Экзоны обычно соединяются вместе в том же порядке, в котором они распологаются в ДНК. Однако не абсолютно все гены эукариот прерывисты. Иначе говоря, у некоторых генов, подобно бактериальным, наблюдается полное соответствие нуклеотидной последовательности первичной структуре кодируемых ими белков. 2. Основные понятия и методы генетики Представители любого биологического вида воспроизводят подобные себе существа. Это свойство потомков быть похожими на своих предков называется наследственностью. Несмотря на огромное влияние наследственности в формировании фенотипа живого организма, родственные особи в большей или меньшей степени отличаются от своих родителей. Это свойство потомков называется изменчивостью. Изучением явлений наследственности и изменчивости занимается наука генетика. Таким образом, генетика — наука о закономерностях наследственности и изменчивости. По современным представлениям, наследственность — это свойство живых организмов передавать из поколения в поколение особенности морфологии, физиологии, биохимии и индивидуального развития в определенных условиях среды. Изменчивость — это свойство, противоположное наследственности, - это способность дочерних организмов отличаться от родителей морфологическими, физиологическими, биологическими особенностями и отклонениями в индивидуальном развитии. Наследственность и изменчивость реализуются в процессе наследования, т. е. при передаче генетической информации от родителей к потомкам через половые клетки (при половом размножении) либо через соматические клетки (при бесполом размножении). Генетика как наука решает следующие основные задачи: - изучает способы хранения генетической информации у разных организмов (вирусов, бактерий, растений, животных и человека) и ее материальные носители; - анализирует способы передачи наследственной информации от одного поколения организмов к другому; - выявляет механизмы и закономерности реализации генетической информации в процессе индивидуального развития и влияние на них условий среды обитания; - изучает закономерности и механизмы изменчивости и ее роль в приспособительных реакциях в эволюционном процессе; - изыскивает способы исправления поврежденной генетической информации. Для решения этих задач используются разные методы исследования. 1. Метод гибридологического анализа был разработан Грегором Менделем. Этот метод позволяет выявить закономерности наследования отдельных признаков при половом размножении организмов. Сущность его заключается в следующем: анализ наследования проводится по отдельным независимым признакам; прослеживается передача этих признаков в ряду поколений; проводится точный количественный учет наследования каждого альтернативного признака и характер потомства каждого гибрида в отдельности. 2. Цитогенетический метод позволяет изучать кариотип (набор хромосом) клеток организма и выявлять геномные и хромосомные мутации. 3. Генеалогический метод предполагает изучение родословных животных и человека и позволяет устанавливать тип наследования (например, доминантный, рецессивный) того или иного признака, зиготность организмов и вероятность проявления признаков в будующих поколениях. Этот метод широко используется в селекции и работе медико-генетических консультаций. 4. Близнецовыйметод основан на изучении проявления признаков у однояйцевых и двуяйцевых близнецов. Он позволяет выявить роль наследственности и внешней среды в формировании конкретных признаков. 5. Биохимические методы исследования основаны на изучении активности ферментов и химического состава клеток, которые определяются наследственностью. С помощью этих методов можно выявить генные мутации и гетерозиготных носителей рецессивных генов. 6. Популяционно-статистический метод позволяет рассчитывать частоту встречаемости генов и генотипов в популяциях. Введем основные понятия генетики. При изучении закономерностей наследования обычно скрещиваются особи, отличающиеся друг от друга альтернативными (взаимоисключающими) признаками (например, желтый и зеленый цвет, гладкая и морщинистая поверхность горошин). Гены, определяющие развитие альтернативных признаков, называются аллельными. Они распологаются в одинаковых локусах (местах) гомологичных (парных) хромосом. Альтернативный признак и соответствующий ему ген, проявляющийся у гибридов первого поколения, называют доминантным, а не проявляющийся (подавленный) называют рецессивным. Если в обеих гомологичных хромосомах находятся одинаковые аллельные гены (два доминантных или два рецессивных), то такой организм называется гомозиготным. Если же в гомологичных хромосомах локализованы разные гены одной аллельной пары, то такой организм принято называть гетерозиготным по данному признаку. Он образует два типа гамет и при скрещивании с таким же по генотипу организмом дает расщепление. Совокупность всех генов организма называется генотипом. Генотип представляет собой взаимодействующие друг с другом и влияющие друг на друга совокупности генов. Каждый ген испытывает на себе воздействие других генов генотипа и сам оказывает на них влияние, поэтому один и тот же ген в разных генотипах может проявляться по-разному. Совокупность всех свойств и признаков организма называется фенотипом. Фенотип развивается на базе определенного генотипа в результате взаимодействия с условиями внешней среды. Организмы, имеющие одинаковый генотип, могут отличаться друг от друга в зависимости от условий развития и существования. Отдельный признак называется феном. К фенотипическим признакам относятся не только внешние признаки (цвет глаз, волос, форма носа, окраска цветков и тому подобное), но и анатомические (объем желудка, строение печени и тому подобное), биохимические (концентрация глюкозы и мочевины в сыворотке крови и так далее) и другие. 2.1 Генная инженерия Генная инженерия это новая, революционная технология, при помощи которой ученые могут извлекать гены из одного организма и внедрять их в любой другой. Гены это программа жизни — это биологические конструкции, из которых состоит ДНК и которые обуславливают специфические характеристики, присущие тому или другому живому организму. Пересадка генов изменяет программу организма получателя и его клетки начинают производить различные вещества, которые, в свою очередь, создают новые характеристики внутри этого организма. При помощи этого метода исследователи могут менять особые свойства и характеристики в нужном им направлении, например: они могут вывести сорт томатов с более длительным сроком хранения или сорт соевых бобов, устойчивых к воздействию гербицидов. Генная инженерия — это метод биотехнологии, который занимается исследованиями по перестройке генотипов. Генотип это не просто механическая сумма генов, а сложная, сложившаяся в процессе эволюции организмов система. Генная инженерия позволяет путем операций в пробирке переносить генетическую информацию из одного организма в другой. Перенос генов дает возможность преодолевать барьеры и передавать отдельные наследственные признаки одних организмов другим. Носителями материальных основ генов служат хромосомы, в состав которых входят ДНК и белки. Но гены образования не химические, а функциональные. С функциональной точки зрения ДНК состоит из множества блоков, хранящих определенный объем информации — генов. В основе действия гена лежат его способность через посредство РНК определять синтез белков. В молекуле ДНК как бы записана информация, определяющая химическую структуру белковых молекул. Ген — участок молекулы ДНК, в котором находится информация о первичной структуре какого-либо одного белка (один ген — один белок). Поскольку в организмах присутствуют десятки тысяч белков, существуют и десятки тысяч генов. Совокупность всех генов клетки составляет ее геном. Все клетки организма содержат одинаковый набор генов, но в каждой из них реализуется различная часть хранимой информации. Поэтому, например, нервные клетки и по структурно — функциональным, и по биологическим особенностям отличаются от клеток печени. Перестройка генотипов, при выполнении задач генной инженерии, представляет собой качественные изменения генов не связанные с видимыми в микроскопе изменениями строения хромосом. Изменения генов, прежде всего, связано с преобразованием химической структуры ДНК. Информация о структуре белка, записанная в виде последовательности нуклеотидов, реализуется в виде последовательности аминокислот в синтезируемой молекуле белка. Изменение последовательности нуклеотидов в хромосомной ДНК, выпадение одних и включение других нуклеотидов меняют состав образующихся на ДНК молекулы РНК, а это в свою очередь, обуславливает новую последовательность аминокислот при синтезе. В результате в клетке начинает синтезироваться новый белок, что приводит к появлению у организма новых свойств. Сущность методов генной инженерии заключается в том, что в генотип организма встраиваются или исключаются из него отдельные гены или группы генов. В результате встраивания в генотип ранее отсутствующего гена можно заставить клетку синтезировать белки, которые ранее она не синтезировала. 2.2 Возможности генной инженерии, проект «Геном человека» Естественно успешные манипуляции с генами растений и животных не могли не привести к достаточно скользкому вопросу: а что же человек? Если возможно улучшать животных, то почему бы не заняться человеком. Однако для начала необходимо все-таки разобраться с генным набором человека. Так, в 1990 году появилась инициатива по картированию человеческих хромосом, состоящих из 26-30 тысяч генов. Проект получил простое название «Геном человека» и ориентировочно должен был представить полную картину генома где-то к 2005 году. В проект входят исследовательские группы из разных стран, а с конца 90-х гг. создаются специальные компании, основной задачей которых является облегчение и ускорение коммуникаций между такими группами. К началу 2001 года уже полностью картированы 2 хромосомы: 21 и 22. Однако основной сенсацией стало открытие группой Крега Вентера общей карты генома человека. Ученые говорят, что если сравнивать эту карту с обычными, то вряд ли бы по ней можно было бы попасть в магазин на соседней улице, однако в любом случае сам факт ее существования говорит о начале эпохи патентирования генов, а это, в свою очередь, поднимает множество вопросов уже не биологического толка, а этического и правового. Хотя ученые и заявляют, что основная цель картирования генома — это необходимость разобраться в том, как работает человеческое тело, чтобы эффективнее противостоять разнообразным заболеваниям, а еще такие знания могут значительно облегчить создание новых медицинских препаратов, все же становится очевидным необходимость как правового регулирования вопроса: как и что можно делать с человеческим телом, так и ответа на вопрос: где надо остановиться? Может ли человек уподобиться Творцу и сам заняться созданием новых существ? Формирование карты генома человека часто сравнивают с такими революционными событиями, как высадка человека на луну, например. Однако сейчас наблюдается одно существенное различие: если космические программы — это одна из задач государства, то группы — участники проекта, как правило, имеют частное финансирование, следовательно, авторские права на их разработки будут иметь негосударственные компании. А что они будут с ними делать? Представим себе, что в недалеком будущем, карта будет составлена достаточно точно, и каждый человек может быть, таким образом, описан. Возникает вопрос — кто будет владеть доступом к этой информации? В какой мере человек сможет сохранять в неприкосновенности самую «интимную» информацию о себе? Не будут ли работодатели отказывать в преме на работу человеку, у которого в генах заложена предрасположенность к какому-либо виду рака? Возможно ли будет медицинское страхование в ситуации, когда геном каждого отдельного человека будет представлять информацию о всех потенциальных болезнях? Тони Блэр заявил о необходимости составления генетических портретов преступников. И вроде бы ученые готовы работать над тем, чтобы открыть специальные гены, отвечающие за девиантное поведение людей. Однако многих специалистов уже сейчас пугает перспектива того, что в недалеком будущем общество переложит решение разнообразных проблем — преступности, бедности, расизма и т. д. - на генетиков и генную инженерию: «мол, все дело в генах, если что то не в порядке, то это не забота общества, а генетическая предрасположенность отдельных людей». Ведь, в общем-то многие забывают, что только некоторые редкие болезни обусловлены исключительно набором генов, а те заболевания, которые мы обычно называем генетическими — рак, сердечно-сосудистые нарушения — только отчасти имеют генетическую природу, во многом вероятность их проявления в первую очередь зависит от тех шагов, которые предпринимает сам человек и общество. Наиболее распространенным методом генной инженерии являетя метод получения рекомбинантных, т. е. содержащих чужеродный ген, плазмид. |