Современные достижения генной инженерии

Определение и сущность генной инженерии

В ряде случаев возникает необходимость ввести в организм и заставить работать определённый ген, например, взамен повреждён­ного, для устранения последствий мутации, или с целью приобрете­ния организмом новых качеств. Эта задача решается биотехнологической отраслью, которая получила название генной инженерии.

Генная инженерия — совокупность приёмов, методов и технологий получения рекомбинантных РНК и ДНК, выделения ге­нов из организма (клеток, культур), осуществления манипуляций с генами и введения их в другие организмы (клетки, культуры). Пере­нос генетической информации из одного биологического объекта в другой получил название трансгеноза. Первые достижения на этом направлении были получены в экспериментах на микроорганизмах и растениях, они преследовали в основном технологические и фарма­цевтические цели (последние ставит перед собой фармакогенетика). В связи с этим данное направление получило название биотехнологии.

Внедрение в геном микроорганизмов генов, кодирующих человеческие бел­ки, привело к появлению большого числа относительно дешёвых и высокоэф­фективных лечебных и диагностических препаратов (инсулин, пептидные гормоны, иммуноглобулины, ферменты). Созданы высокопродуктивные штаммы микроорганизмов, используемых в различных видах промышленности и в защите окружающей среды. Другим важным и массовым направлением стало создание трансгенных растений (растений, в геном которых включены гены бактерий, насекомых или даже млекопитающих), что позволяет резко увеличить продуктивность сельского хозяйства в основном за счёт повышения устойчивости модифицированных растений к вредителям.

Мы не будем останавливаться на этой проблеме, её позитивных и негативных сторонах. В ней слишком много бизнеса, что затрудня­ет её научный анализ. Тем, кто действительно обеспокоен потенци­альной опасностью трансгенных растений как продуктов питания, можно лишь напомнить, что миллионы лет в половом процессе про­исходит обмен генетической информацией между особями, и что наш геном содержит 3 % вирусных генов (подробнее об этом можно прочитать в статье Чужеродная ДНК в геноме человека — вирусы). Так что появление в растении одного-двух не присущих данному растительному организму генов вряд ли представляет большую опасность для людей, потребляющих эти растения. Часто излишняя обеспокоенность той или иной проблемой для конкретного человека имеет худшие последствия, чем сама проблема.

Рассмотрим некоторые современные достижения генной инже­нерии и их перспективы для человечества.

Генетический таргетинг

Наибольший интерес с точки зрения перспектив использования для пользы человека представляют транс­генные животные. Их получение тесно связано с использованием мо­дифицированных эмбриональных стволовых клеток.

Принципиально получение трансгенных животных осуществляется по следующей схеме:

1) клонированный ген вводят в ядро оплодотворённой яйце­клетки;

2) яйцеклетку имплантируют в реципиентную женскую особь, так как дальнейшее развитие эмбриона пока возможно только в донорском организме;

3) отбирают потомков, развившихся из им­плантированных яйцеклеток, которые содержат клонированный ген во всех клетках;

4) скрещивают животных, которые несут клониро­ванный ген в клетках зародышевой линии, и получают новую генети­ческую линию.

Первые эксперименты были поставлены на мышах. Для непо­средственного введения гена в организм млекопитающего использо­вались следующие способы: 1) с помощью ретровирусов; 2) с помо­щью микроинъекции раствора ДНК в мужской пронуклеус оплодотворённой яйцеклетки (у мышей после оплодотворения не­которое время мужское и женское ядро не сливаются); и 3) с помо­щью генетически модифицированных эмбриональных стволовых клеток. Последний метод имеет большое значение, поэтому рассмот­рим его подробнее.

Плюрипотентные культивируемые клетки мышиного эмбриона обрабатывают векторами (самореплицирующимися молекулами ДНК, выделенными из бактерий), к которым присоединён функциональный ген, в результате чего в некоторых из них случайным образом ген ин­тегрируется в геном эмбриона. После отбора клеток, содержащих трансген, их популяцию размножают в культуре и вводят в реципиентную бластоцисту (зародыш мыши на ранней стадии деления). Бла­стоцисту имплантируют в матку «суррогатных матерей» — гормонально подготовленных (псевдобеременных) мышиных самок. Рождённые животные будут нести в своих клетках трансген, в том числе, и в половых. Скрещивая между собой этих животных, можно получить животных, гомозиготных по трансгену.

Манипулируя стволовыми клетками, можно не только «вста­вить» в геном нужный ген, но и отключить (по терминологии генети­ков — «выбить» из генома) тот или иной ген. С этой целью в культуру исходных плюрипотентных клеток методом электропорации или ка­ким-либо иным способом вводят синтетический вариант химически модифицированного гена, который внедряется в хромосому и блоки­рует заданный нормальный ген. Для быстрого поиска нужных клеток (трансфецируется 1-2 из тысячи) к этому гену ещё пришивают ген устойчивости к какому-нибудь антибиотику, и обработка культуры этим антибиотиком убивает только те клетки, в которых искусствен­ный ген не интегрировался. После введения полученных стволовых клеток в бластоцисты, их имплантации и вынашивания беременности рождается химерное потомство, несущее отключённый ген. Такие мыши получили название нокаут-мышей, а технология — нокаут-технологией. Скрещивая таких мышей с обычными мышами, можно получить гетеро- и гомозиготных нокаутных мышей. В 2007 году Нобе­левская премия в области биологии и медицины была вручена ан­гличанину Мартину Эвансу и американским исследователям Марио Капекки и Оливеру Смитису именно за эту технологию (они разраба­тывали её с начала 80-х годов прошлого века). В последнее время большие перспективы целенаправленного отключения генов возни­кают в связи с использованием микроРНК, способных избирательно блокировать определённые гены.

Ценность данного подхода для медицины заключается в том, что последовательно «выбивая» из генома ген за геном и наблюдая за нокаутными животными, можно понять физиологическую роль того или иного гена, причём с момента рождения, т. е. решить задачу функцио­нальной геномики. Идя этим путём, можно постепенно выяснить зна­чение каждого из генов для здоровья или возникновения болезней. Данная технология получила название генетического таргетинга. Пока что удалось получить линии генетически модифицированных мышей, страдающих заболеванием, весьма сходным с атеросклерозом человека, причём проявления атеросклероза возникали на фоне дие­ты, богатой холестеролом, т. е. аналогия почти полная. Впрочем, зада­ча физиологической геномики на самом деле очень сложна. Подавляющее большинство заболеваний зависят от множества генов, к тому же имеют место эпигенетические эффекты, поэтому техноло­гия таргетинга не решает всех проблем.

Генная терапия

Выяснение роли всех генов человеческого ор­ганизма — это задача, которая рано или поздно будет решена. Но уже сегодня стоит не менее актуальная задача — задача исправления де­фектных генов. Её решает генная терапия. Под генной терапией по­нимают коррекцию того или иного наследственного заболевания путём введения в клетку-мишень экспрессируемого функционального гена. Диапазон генной терапии в последнее время расширился: по­явилась возможность усиливать иммунный ответ для борьбы с раком, создавать новые кровеносные сосуды, обеспечивать устойчивость ор­ганизма к инфекционным агентам. Сегодня речь идёт о соматической генной терапии, т. е. о внедрении генов в соматические клетки, но не в половые (в силу существующего запрета).

За последние 20 лет генная терапия испытала череду взлётов и падений. В начале 1990-х годов новое направление усиленно рекламиро­вали как медицину будущего. Но в 1999 году её применение привело к гибели 18-летней девушки, а ещё три пациента заболели лейкозом. Это было связано с тем, что для генной терапии в качестве «перенос­чиков» используются ретровирусы, нагруженные терапевтическим геном. Вирусы всегда представляют опасность, как в плане иммунно­го ответа организма, так и в плане озлокачествления (трансформации) клеток. По мере совершенствования технологии эти проблемы будут преодолены. Конечной целью генной терапии является создание ме­тодов лечения всех наследственных заболеваний. Пока все исследо­вания по генной терапии направлены на коррекцию генетических дефектов соматических, но не половых (зародышевых) клеток. Это объясняется не столько техническими трудностями, сколько сообра­жениями биобезопасности, поскольку ДНК, интегрированная в поло­вые клетки, передаётся последующим поколениям.

Технологически генная терапия в настоящее время подразделя­ется на две разновидности — генная терапия ex vivo и in vivo.

Генная терапия ex vivo включает в себя следующие этапы: 1) получение кле­точного материала от больного; 2) исправление генетического дефек­та путём переноса нормального гена в изолированные клетки; 3) от­бор и культивирование (размножение) «исправленных» клеток; 4) трансплантация этих клеток пациенту.

Генная терапия in vivo преду­сматривает внесение «терапевтического» гена непосредственно в ткань организма, которая в нём нуждается. И в том, и в другом случае главной проблемой являются «средства доставки» нужного гена в че­ловеческие клетки. Одним из направлений в генной терапии является введение терапевтического гена в тотипотентные стволовые клетки и их последующая инфузия в организм реципиента — в этом случае можно рассчитывать на превращение этих клеток в любые диффе­ренцированные клетки организма.

Уже имеются примеры эффективной генной терапии ряда наследственных заболеваний, например, семейной гиперхолестеролемии — заболевания, при котором клетки печени не способны захва­тывать из крови липопротеиды низкой плотности, из-за чего пациент рано начинает страдать от коронаросклероза. С конца 90-х годов идут разработки и клинические испытания генно-терапевтических методов лечения наследственного иммунодефицита, меланомы, рака почки, кишечника и некоторых других злокачественных опухолей (в этом случае в ткань опухоли стараются внедрить гены, усиливающие апоптоз), муковисцидоза, бокового амиотрофического склероза. Ос­новным недостатком современной генной терапии является непро­должительность эффекта — от 6 до 18 месяцев. Это связано с постепенной элиминацией модифицированных клеток. Кардинальным решением проблемы было бы внедрение терапевтического гена в половые клет­ки, однако на такую технологию продолжает действовать мораторий.

Поскольку внедрение терапевтических генов в человеческие клетки с помощью вирусов имеет свои недостатки (дороговизна, низ­кая ёмкость) и часто небезопасно (воспалительная реакция, злокаче­ственная трансформация), разрабатываются невирусные способы доставки. Среди них такие, как простое инъецирование раствора плазмиды, содержащей терапевтический ген, в ткани организма, «вы­стреливание» генов из «генной пушки» в ткани через кожный надрез, внутривенное введение генов, ассоциированных с микрочастицами золота, которые поглощаются клетками и т. д. Показана также эффек­тивность липосом (искусственных липидных частиц, заполненных раствором терапевтического гена) при их введении в организм раз­личными путями, включая пероральный. Одним из перспективных способов является создание искусственных белково-нуклеотидных структур и даже искусственных хромосом. Нет сомнения в том, что мы вскоре будем свидетелями новых достижений в генной терапии. Речь может идти не только об устранении наследственных заболева­ний, но и о коррекции поведения. Такие попытки уже делаются. Так, внедрение гена низкой активности альдегиддегидрогеназы может привести к выработке устойчивого отвращения к алкоголю из-за накопления токсичного ацетальдегида.

Источник: Розанов, В. А. Биология человека и основы генетики: Учебное пособие / В. А. Розанов. – Одесса: ВМВ, 2012. – 435 с.

Связанные статьи:

Терапевтическое клонирование человека

Проблемы клонирования животных и человека

Наследование приобретённых признаков с позиций эпигенетики

Онтогенетическое развитие человека, старение и болезни

Ответить

Ваш e-mail не будет опубликован.

Вы можете использовать HTML- теги и атрибуты:

<a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>