Мед. Генетика Горбунова. Учебник для студентов медицинских вузов и слушателей последипломного образования
 Скачать 1.71 Mb.
|
|
Глава 1.11. Обратная генетика, генная инженерия Подчеркнем еще раз, что определение нуклеотидной последовательности кодирующей области гена означает расшифровку аминокислотной последовательности кодируемого белка. А знание аминокислотной последовательности белка, в свою очередь, позволяет реконструировать его третичную структуру и доменную организацию. Является этот белок секреторным или внутриклеточным, может быть это трансмембранный белок, возможно, он выполняет функции ионного канала или рецептора, или участвует во взаимодействии с другими белками, может быть он ассоциирован с ядром или митохондриями? Оказалось, что все эти и очень многие другие функции белков связаны с определенными, как говорят, конценсусными последовательностями аминокислот. И проводя сопоставительный компьютерный анализ, можно довольно точно реконструировать функции этого прогнозируемого белка. Вся эта дорога «от гена к белку» называется обратной генетикой Открытие любого гена всегда сопровождается изоляцией и клонированием его кодирующей области, так называемой молекулы комплементарной ДНК – кДНК . Для того чтобы определить, что такое кДНК, нужно вспомнить процесс транскрипции. Мы говорили, транскрипция это синтез молекулы РНК, комплементарной определенным участкам молекулы ДНК, то есть генам. А есть процесс обратной транскрипции , когда в качестве матрицы используется молекула РНК и с помощью определенного фермента, который так и называется – обратная транскриптаза – производится синтез молекул ДНК. Если взять какую-то специфическую молекулу мРНК и провести обратную транскрипцию, получится очень важный класс молекул – комплементарная ДНК. Вы помните, в мРНК уже нет интронов, поскольку сплайсинг уже прошел. Поэтому обратный синтез ДНК с использованием в качестве матрицы мРНК позволяет получить молекулу кДНК, составленную только из экзонов, то есть представляющую собой кодирующую область соответствующего этой мРНК гена. Рисунок 25. Получение комплементарной ДНК На следующем этапе молекулу кДНК клонируют. Клонирование это очень эффективный метод поддержания и размножения любых относительно небольших молекул ДНК путем их встраивания в вектор и введения этой конструкции в клетки-хозяина – рис. 26. Химерные молекулы, составленные из ДНК различного происхождения, называются рекомбинантными ДНК Вектора обеспечивают проникновение чужеродных ДНК в клетки, и их конструируют на базе тех молекул, которым свойственно проникать в клетки, чаще всего вирусных или плазмидных ДНК. При этом стараются избавиться от собственных генов вирусов, чтобы вектор ни в коем случае не обладал инфицирующими свойствами. В качестве клеток-хозяина чаще всего используют бактериальные клетки. Рисунок 26. Клонирование ДНК Клонированную кДНК условно называют «ген в пробирке» . Эта система позволяет работать с геном как с веществом. Можно наращивать число копий гена путем размножения клеток-хозяина. Одновременно могут быть обеспечены условия для экспрессии введенной в бактериальную клетку кДНК. Так, например, при клонировании генов человека в бактериях можно добиться синтеза в них чужеродных для этих клеток белков человека. Такая возможность, как мы уже указывали, определяется универсальностью генетического кода, то есть одинаковым прочтением информации, записанной в молекулах ДНК, клетками любого видового происхождения. Клонирование лежит в основе всей генной инженерии и, в частности, геноинженерного производства лекарственных препаратов, таких как инсулин, интерферон и многие другие. После получения «гена в пробирке» определяют нуклеотидную последовательность клонированной кДНК. Процесс определения нуклеотидных последовательностей ДНК называется секвенированием , а сами эти последовательности иногда называют сиквенсами . Методы секвенирования впервые были разработаны Сенджером, Максамом и Гилбертом в 1977 году. В настоящее время они значительно усовершенствованы и носят характер рутинной процедуры. Переход от прогнозируемого или виртуального белка к реальному осуществляется путем получения антител либо к искусственно синтезируемым полипептидам, гомологичным прогнозируемой полипептидной последовательности, либо к продукту экспрессии кДНК в клетках-хозяина. С помощью антител можно анализировать характер распределения этого белка in vivo в норме и при каких-то патологических состояниях, а также попытаться выделить его в количестве, достаточном для прямого биохимического анализа и выявления тех метаболитов, которые взаимодействуют с этим белком. Давайте задумаемся, что все это означает, если речь идет о заболевании, в этиологии которого есть генетическая составляющая? Идентификация подобного белка означает нахождение первичного биохимического дефекта при данном заболевании. Выделение этого белка и его биохимический анализ означает расшифровку первичной патологической метаболической цепи, то есть понимание молекулярных основ не только этиологии, но и начальных этапов патогенеза заболевания. А это, в свою очередь, создает базис для разработки не только симптоматических, но и патогенетических методов лечения заболевания – одно из главнейших направлений современной молекулярной медицины. Подчеркнем еще раз, что самая простая дорога к пониманию того, как устроены белки, лежит через гены. Вспомним, какие грандиозные усилия тратили ученые всего мира еще 2-3 десятилетия тому назад на то, чтобы расшифровать аминокислотные последовательности наиболее просто устроенных белков или даже их фрагментов. Это методы физико- химического анализа, ядерно-магнитного резонанса, рентгено-структурного анализа, электронной микроскопии, масс-спектроскопии и др. Лучшие умы занимались этими вопросами в самых передовых хорошо оснащенных лабораториях. И успехи были достаточно скромные! Сейчас дела обстоят совершенно по-другому. Как только расшифровывается нуклеотидная последовательность кодирующей области гена, эта последовательность вводится в определенную компьютерную программу, которая вырисовывает соответствующий белок в объеме, в цвете, с указанием всех активных сайтов. Одновременно будет выписан список всех других белков по всему живому миру, которые имеют области гомологии с исследуемой аминокислотной последовательностью, и будет указано, какие функции эти белки выполняют. Таким образом, главнейшим следствием открытия гена является возможность перехода на белковый уровень анализа. В частности, открытие генов наследственных болезней человека создает методические предпосылки для изучения биохимических основ первичных патологических нарушений и разработки методов адекватной метаболической коррекции. От работы с рекомбинантными ДНК и изучения последствий их введения в культуры клеток, то есть в системы in vitro, генная инженерия перешла на уровень экспериментальных животных и растений, то есть на системы in vivo. Этому способствовали успехи в области экспериментальной эмбриологии. Были созданы предпосылки для целенаправленного конструирования генетических модельных линий путем трансгеноза , то есть искусственного введения чужеродного генетического материала в оплодотворенную яйцеклетку или ранние зародыши экспериментальных объектов. Получающиеся в результате подобных манипуляций трансгенные линии животных или растений являются идеальными экспериментальными системами для изучения функций отдельных генов и оценки их биологического действия на организм, исследования молекулярно- генетических основ онтогенеза, а также возможности работы со специфическими клонами клеток in vivo. На первых этапах трансгенные модельные линии получали путем прямых микроинъекций рекомбинантных ДНК в ядра оплодотворенных яйцеклеток. Одновременно была разработана методика получения зародышей-химер , состоящих из клеточных клонов, полученных из разных зигот. Если эти клетки различаются, например, по генам окраски шерсти, химерное животное будет иметь поперечную или пятнистую окрашенность. При этом животные, независимо полученные в результате объединения бластомеров двух разных линий, будут отличаться друг от друга по характеру пятнистости, так как процесс формирования клонов из разных клеток ранних зародышей носит случайный характер – рис. 27. Рисунок 27. Химерные животные, различающиеся по гену окраски шерсти Более прогрессивный способ создания трансгенных линий основан на использовании в качестве клеточных векторов эмбриональных стволовых клеток (ЭСК) . ЭСК получают из клеток бластоцисты (внутренней клеточной массы) или из первичных половых клеток ранних постимплантационных зародышей. Они обладают свойством тотипатентности , то есть способностью дифференцироваться в любые специализированные типы клеток. Генетическую модификацию ЭСК проводят в условиях культивирования, а затем их вводят в бластоцель, где они могут случайным образом участвовать в формировании эмбриональных зачатков и органов развивающегося зародыша – рис. 28. Значительный прогресс в изучении молекулярной природы наследственных болезней человека связан с возможностью конструирования и генетического анализа трансгенных линий мышей с сайт специфической модификацией определенного гена. Техника трансгеноза позволяет направленно разрушать гены и получать так называемые «нокаут» -линии, вводить специфические мутации в определенный ген, получать линии животных с гиперэкспрессией, тканеспецифической или эктопической экспрессией дополнительной введенной генетической конструкции. Генетические манипуляции могут быть проведены только в одной или нескольких специфических тканей экспериментального животного и даже в определенный момент дифференцировки. Подобные модельные линии мышей сконструированы практически для всех известных генов, ассоциированных с наследственными заболеваниями человека. Кроме того, подобные методические разработки заложили фундамент для развития генной терапии – лечения с использованием смысловых или регуляторных последовательностей ДНК. Глава 1.12. Генетические основы развития В настоящее время не подвергается сомнению тот факт, что индивидуальное развитие организма находится под генетическим контролем. В древности существовало представление о том, что в женских половых клетках уже присутствует сформированный зародыш, в яйцеклетках которого, в свою очередь, содержится еще более маленький зародыш и так далее. По подсчетам одного из основоположников сформулированной выше гипотезы А. Галлера в яичнике Евы должно было содержаться около 200 млрд. зародышей. Сейчас очевидна несостоятельность этой теории. В половых клетках содержится не сам зародыш, а инструкция в виде заключенной в молекуле ДНК генетической информации, которая во взаимодействии с внешними факторами управляет развитием организма. Огромное количество исследований посвящено анализу молекулярно- генетических основ онтогенеза. Процесс дифференцировки детально изучен на морфологическом уровне. В последние десятилетия произошел огромный прогресс в понимании биохимических и молекулярных превращений, участвующих в контроле развития. Однако до сих пор нет удовлетворительного ответа на вопрос, как из одной оплодотворенной яйцеклетки образуется более 200 гистологических типов клеток, составляющих наш организм. В первую очередь, это связано с тем, что процесс онтогенеза отличается необычайной сложностью и удивительной организованностью. Зигота и различные специализированные клетки содержат одинаковые наборы генов, и это значит, что дифференцировка не сопровождается утратой генетического материала. Меняется лишь характер экспрессии генов. Мы уже говорили о том, что в специализированных клетках работают около 20% генов, причем наборы экспрессирующихся генов в разных типах клеток различны. Эти изменения, а также те, которые происходят в цитоплазме, в общем случае, носят необратимый характер. В первую очередь, это касается утраты специализированными клетками свойства тотипатентности, то есть способности давать начало другим типам клеток. Эта способность присуща только клеткам ранних зародышей, и она в определенной мере сохраняется за стволовыми клетками. Таким образом, механизм генетического контроля эмбрионального развития ассоциирован с дифференциальной экспрессией генов. Ядра специализированных клеток, а значит и ДНК, не теряют тотипатентности, и будучи трансплантированы в безъядерную зиготу, способны инициировать развитие и дать начало жизнеспособному организму. Впервые это было показано во второй половине XX века Дж. Гердоном в опытах на амфибиях. Продолжение этих исследований привело к появлению знаменитой овечки Долли и рождению на стыке эмбриологии и генетики нового направления по клонированию животных и растений. Это направление имеет огромные перспективы, в частности в трансплантологии, так как позволяет выращивать из отдельных стволовых клеток специализированные ткани и даже органы. При этом может быть снята одна из самых серьѐзных проблем трансплантологии – отторжение пересаженных тканей. Исследования по клонированию перспективны также для развития сельского хозяйства, так как позволяют получать точные генотипические копии высоко продуктивных животных и растений. Однако работы в области клонирования человека, то есть получения нового организма из соматической клетки реципиента, в настоящее время считаются недопустимыми. Это связано не только с большим количеством этических и правовых проблем, но и с недостаточной изученностью биологических аспектов клонирования, в частности взаимоотношений между цитоплазматическим и ядерным контролем развития. Исследования по генетике развития у нас в стране успешно проводились во многих научно-исследовательских центрах: в Москве под руководством Б. П. Астаурова, Б. В. Конюхова, Нейфаха, в Ленинграде – П. Г. Светлова и Н. П. Дыбана, в Новосибирске – Л. И. Корочкина. Еще Т. Морган высказал предположение о том, что начало индивидуального развития дрозофилы относится к периоду созревания яйцеклетки. В опытах по клонированию была доказана ведущая роль цитоплазмы в детерминации развития. Подчеркнем еще раз, что развитие из ядра соматической клетки происходит только в том случае, если оно помещено в детерминированную к развитию ооплазму оплодотворенной яйцеклетки. Наш выдающийся соотечественник эмбриолог П. Г. Светлов предложил особо выделять проэмбриональный период, который начинается с формирования половых клеток и заканчивается оплодотворением. В процессе женского гаметогенеза ( оогенеза ) происходит детерминация морфологических осей, типа симметрии, обособление кортикального слоя цитоплазмы и участков, соответствующих будущим органам. По словам П. Г. Светлова «в ооците (предшественнике яйцеклетки) имеется как бы каркас, отражающий наиболее общие черты архитектоники строящегося организма». В ооците экспрессируются практически все гены, и в ооплазме накапливается большое количество материнских белков и мРНК, которые и управляют первыми этапами дробления зародыша. Таким образом, генотип матери в большей степени влияет на формирование признаков у потомства, чем генотип отца. В этом и заключается так называемый материнский эффект . Кроме того, в период созревания ооцита происходит формирование строго упорядоченной гетерогенности цитоплазмы, так называемая ооплазматическая сегрегация , в ходе которой закладывается план строения будущего организма. Наблюдается постепенное падение концентрации белков и мРНК в направлении от анимального полюса к вегетативному. При механическом разрушении этого градиента развития зародыша не происходит. В зрелых ооцитах транскрипция не обнаруживается. Она восстанавливается только на стадии поздней зиготы, когда наблюдается прогрессивная активация или репрограммирование эмбрионального генома. Напомним, что у человека первичные половые клетки закладываются и вступают в мейоз уже в конце бластогенеза, то есть спустя две недели после оплодотворения, а их детерминация происходит еще раньше. Затем деление первичных половых клеток блокируется. Потенциальные яйцеклетки созревают в период половозрелости женщины до момента овуляции, когда снимается первый блок мейоза, причем мейоз заканчивается лишь с началом оплодотворения. Таким образом, одна оплодотворенная яйцеклетка физически связывает три поколения. И в некоторых случаях последствия неблагоприятных внешних воздействий в период детерминации и закладки первичных половых клеток плода беременной женщины могут проявиться в виде различных аномалий развития у ее внуков. Ведущая роль в морфогенезе тканей принадлежит экспрессирующимся в раннем эмбриогенезе генам транскрипционных факторов - секреторных белков, служащих индуктивными сигналами для развития. Подобные белки способны взаимодействовать с регуляторными участками других генов и осуществлять активацию или репрессию так называемой «генной сети» - каскада генов, координированная экспрессия которых определяет специфические программы детерминации, дифференцировки и морфогенеза отдельных органов и тканей. Впервые система генетического контроля различных этапов онтогенеза эукариотических организмов была подробно изучена на дрозофиле. Гены транскрипционных факторов, участвующие в контроле онтогенеза, оказались наиболее консервативными в эволюции. Поэтому неудивительно, что подавляющее большинство таких генов у человека было открыто по гомологии с генами дрозофилы. Часто это находит отражение уже в самом обозначении гена. Сегментация организма, включающая разделение на головной, грудной и брюшной отделы, также как генетический контроль пространственной организации градиентов морфогенетически активных белков, определяющих сегментацию, универсальны в животном мире. Последовательные этапы активации участвующих в этом процессе морфогенетических транскрипционных факторов хорошо изучены. На рис. 29 представлена упрощенная схема активации генов в онтогенезе дрозофилы. Рисунок 29. Последовательные этапы активации генов в онтогенезе дрозофилы При взаимодействии перекрывающихся градиентов морфогенетически активных белков, являющихся на первых этапах продуктами материнских генов, таких, в частности как bicoid , активируются гены группы gap , которые в свою очередь запускают гены группы pair , runt и др., что, в конце концов, приводит к локальной экспрессии самой многочисленной группы генов сегментной полярности , в которую, в частности, входит ген hedgehog . После формирования границ каждого сегмента их специфические черты детерминируются гомеозисными генами. Эти гены содержат специфические гомеобоксы - Hox , Pax (pair-бокс), Sox (SRY-родственный HMG-бокс) и др., белковые продукты которых – гомеодомены - взаимодействуют с регуляторными участками ДНК, осуществляя активацию или репрессию соответствующей «генной сети». У человека идентифицировано четыре кластера HOX-генов (A, B, C, D), в каждом из которых от 9 до 11 генов. Большинство мутаций в этих генах приводят к эмбриональной летальности, и только две из них ассоциированы с аутосомно-доминантными дефектами кистей и стоп. Мутации, связанные с наследственными болезнями человека, найдены в четырех из девяти PAX- генов. Более 20 генов группы SOX характеризуются тканеспецифической экспрессией в раннем эмбриогенезе. Гетерозиготные мутации в гене SOX9 человека являются причиной развития одной из форм тяжелой скелетной дисплазии, сопровождающейся реверсией пола. Органогенез регулируется последовательными индуктивно-тканевыми взаимодействиями, реализация которых осуществляется с участием многих |