Способы изменения генома

 

Основные методы традиционной селекции: родственная гибридизация, отдаленная гибридизация, экспериментальный мутагенез

 

В основе традиционной селекции лежит поиск оптимального сочетания в одном организме генов, полученных от разных родительских форм. В этих целях проводят гибридизацию различных сортов или селекционных линий одного вида, обладающих какими-либо ценными признаками. Чем выше генетическая изменчивость внутри, тем, выше эффективность селекции.

Но есть виды сельскохозяйственных растений, у которых естественная внутривидовая изменчивость невысока (например, свекла). Многие ценные гены у видов культурных растений могут отсутствовать совсем (например, гены устойчивости к некоторым болезням). Поэтому в селекции получили широкое распространение методы, направленные на расширение генетического разнообразия вида с помощью экспериментального мутагенеза и отдаленной гибридизации. [2, 5]

Отдаленная гибридизация между культурными растениями и родственными дикими видами позволяет не только расширить генетическую изменчивость культурного вида, но, что наиболее важно, и привнести отдельные ценные гены от дикого вида, отсутствующие у культурного вида. Подобные скрещивания обычно являются весьма сложным делом, поскольку между видами существуют жесткие репродуктивные барьеры (невозможность развития пыльцы чужого вида, образование не жизнеспособных семян, образование фертильных семян).

Между видами существуют также жесткие барьеры, затрудняющие естественную рекомбинацию. Это означает, что хромосомы межвидового гибрида, полученные от разных видов, могут отличаться по количеству и гомологии (сходству). Отсутствие гомологии между хромосомами приводит к тому, что они не способны сближаться и обмениваться отдельными участками (а следовательно, и отдельными генами) в процессе образования половых клеток. В результате становится невозможным перенос нужных генов от дикого вида в генетический материал культурного вида. Поэтому отдаленная гибридизация может быть эффективна только в том случае, когда скрещиваются относительно близкие в эволюционном отношении виды. [5]

Проблема отсутствия рекомбинации у отдаленных гибридов может быть решена посредством удвоения у них количества хромосом. В этом случае каждая хромосома получит себе пару, и процесс образования половых клеток будет протекать нормально. Такие гибриды, объединяющие в своем геноме полные (т.е. двойные) наборы хромосом разных видов (их называют амфидиплоидами), широко распространены в природе. Наиболее известные из них - пшеница, слива. Селекционер, задумавший получить амфидиплоид с участием культурного и дикого вида, должен учитывать, что у этого гибрида помимо селекционно-ценных генов дикого вида будет присутствовать и полный набор нежелательных "дикарских" генов. Избавиться от них можно только путем возвратных скрещиваний с культурным видом, в ходе чего геном дикого вида замещается культурным и лишь отдельные ценные гены дикого вида сохраняются благодаря селекции. Однако эта процедура может быть эффективной только в случае относительно высокой гомологии хромосом скрещиваемых видов (то есть они должны быть относительно близкородственными). Круг замкнулся. Не случайно поэтому единственным амфидиплоидом, представляющим селекционную ценность из числа полученных искусственно, остается тритикале - гибрид между двумя культурными видами: пшеницей и рожью. [6, 7]

В случае экспериментального мутагенеза организм подвергается действию факторов, вызывающих различные нарушения в структуре ДНК: радиации, обработке химическими веществами, обладающими мутагенной активностью. Большинство индуцированных таким образом нарушений имеет неблагоприятные последствия для организма. Однако отдельные мутации могут быть весьма полезны с селекционной точки зрения.

Генная инженерия

 

Генетическая инженерия - это технология получения новых комбинаций генетического материала путем проводимых вне клетки манипуляций с молекулами нуклеиновых кислот и переноса созданных конструкций генов в живой организм, в результате которого достигается их включение и активность в этом организме и у его потомства.

Первый этап создания генно-инженерных организмов - выделение и идентификация отдельных генов (соответствующих фрагментов ДНК или РНК), которые собираются перенести другим организмам. Для этого из организмов, обладающих такими генами, с помощью специальных химических методов выделяют нуклеиновые кислоты и разрезают их на отдельные фрагменты, используя наборы ферментов - рестриктаз.

В 1973 году получена первая функционально активная молекула рекомбинантной ДНК.Г. Бойер и С. Коэн (США) сумели "пришить" к плазмиде E. coli фрагмент ДНК плазмиды другой бактерии и обнаружили, что такая химерная плазмида могла успешно функционировать в клетках E. coli, размножаться и передаваться другим клеткам как естественным путем, так и с помощью человека. Это означало, что таким образом можно получать многочисленные копии любых генов, то есть клонировать гены, нарабатывать требуемые для последующих манипуляций объемы генетического материала. В генетической инженерии в настоящее время используют различные микроорганизмы для клонирования генов, но чаще всего для этой цели привлекают хорошо изученную бактерию пищеварительного тракта человека - E. coli (кишечную палочку).

Ученые научились не только выделять и клонировать нужные гены, но и всесторонне их изучать: определять последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК и аминокислот в белке, который кодирует ген, механизм регуляции его активности.

Все это позволило успешно осуществлять следующий этап создания генно-инженерных организмов: построение конструкций генов, которые предполагается перенести в геном реципиентного организма. Здесь не случайно речь идет о переносе не отдельных генов, а генетических конструкций, состоящих из нескольких генетических элементов: генов и регуляторных последовательностей. Как правило, конструкции собирают на основе определенных плазмид, к которым "пришивают" в нужной последовательности необходимые генетические элементы.

Как отмечалось выше, каждый ген имеет сложную систему регуляции своей активности, в отсутствие которой он просто не будет функционировать. Только для транскрипции гена (образования мРНК) обязательно наличие, помимо кодирующей области, также промотора, последовательности, обеспечивающей присоединение к мРНК поли А-хвоста, и последовательности, указывающей место окончания транскрипции. В придачу к этим обязательным элементам генетические конструкции могут содержать также регуляторные элементы, определяющие место и время активности переносимого гена (трансгена), другие гены (с соответствующими генетическими элементами), например так называемые селективные гены, с помощью которых выделяют трансформированные клетки реципиентного организма (клетки, в ДНК которых произошло встраивание трансгена) среди преобладающей массы трансформированных клеток.

Такие генетические конструкции "собирают" из фрагментов ДНК, которые могут принадлежать совершенно разным организмам, относящимся к весьма отдаленным систематическим группам, и даже с участием фрагментов ДНК, синтезированных искусственно.

Например, в плазмиду почвенной бактерии Agrobacterium tumefaciens (A, tumefaciens) встраивают ген, выделенный из ДНК рыбы (ген холодоустойчивости от камбалы), промотор у этого гена - от вируса мозаики цветной капусты, последовательности присоединения по-лиА-хвоста и окончания транскрипции (терминальные последовательности) - от A. tumefaciens, селективный ген устойчивости к канамицину - из транспозона (подвижный генетический элемент) E. coli, промотор и терминальные последовательности у этого гена те же, что и у гена холодоустойчивости. И вся эта генетическая конструкция предназначена для переноса в растительный организм.

Выбор промотора при создании трансгенных конструкций имеет особое значение. Существует общая закономерность: прокариотические промоторы могут обеспечить активность любого гена, в том числе и эукариотического только в прокариотическом организме (у бактерий, цианобактерий). В эукариотическом организме может функционировать только ген, имеющий эукариотический промотор. Поэтому при переносе генов от одного вида растений к другому можно использовать гены с их собственными промоторами. Но если в растение переносится бактериальный ген, то промотор у него должен быть заменен на растительный. В последнем случае часто используют промоторы от растительных вирусов. Вирусы по своей природе - существа исключительно активные. Ничто или практически ничто не может их остановить после того, как они нашли свою жертву (хозяина). Попав в клетку хозяина, вирусная ДНК интенсивно размножается и, клетки хозяина, активно воспроизводит себе подобных. Это происходит в силу того, что в процессе эволюции вирусы получили очень сильные промоторы, способные функционировать в любом генетическом окружении.

Проблема введения в растительную клетку чужеродной ДНК также в принципе решена. Используются два основных подхода.

Первый из них - агробактериальная трансформация. Это слегка модифицированный естественный процесс горизонтального (то есть между отдаленными в систематическом отношении группами организмов) переноса генов от бактерий в растения. В природе существует большая группа почвенных бактерий из рода Agrobacterium. Они могут вызывать у растений болезни типа рака - корончатый галл (опухоль) или "бородатые корни". Выяснено, что с помощью специального механизма бактерии передают в генетический материал растений небольшой фрагмент своей ДНК, содержащий гены, активность которых приводит к образованию у растений опухоли или многочисленных корней. В них синтезируются вещества - опины, являющиеся питательным субстратом исключительно для агробактерий. Ученые просто вырезали из переносимого фрагмента ДНК бактериальные гены, вызывающие болезнь, и заменили их нужными им генами с соответствующими регуляторными элементами. Агробактерии потом убивают с помощью антибиотиков, а из трансформированных клеток восстанавливают целое растение.

К сожалению, метод агробактериальной трансформации оказался недостаточно эффективным для большинства однодольных растений (хлебных злаков, кукурузы, лилейных и других). Поэтому для введения чужеродной ДНК в клетки таких растений чаще всего используют другой метод - бомбардировку клеток микроскопическими частицами из золота или вольфрама, на поверхность которых нанесена ДНК.

Процесс переноса и включения в генетический материал клеток растений чужеродной ДНК происходит в общем с небольшой частотой: в лучшем случае трансформированной оказывается одна клетка на тысячу. Поэтому необходимо каким-то образом отделить такие клетки от остальных, создать для их деления и дальнейшего развития наиболее благоприятные условия. В этих целях вместе с желаемым геном (например, устойчивости к насекомым-вредителям, вирусам, гербицидам) вводят и второй, так называемый селективный ген. Чаще всего для этого используют гены устойчивости к антибиотикам. Если после введения чужеродной ДНК поместить клетки на питательную среду с антибиотиком, то на ней способны будут расти только трансформированные клетки.

генетический модифицированный организм здоровье

Обычно в генетический материал клеток растений включается одна или две копии привнесенных генов. Многокопийность, как правило, сопровождается пониженной активностью привнесенных генов, а генотипы с несколькими копиями трансгенов не обладают требуемыми признаками и выбраковываются в ходе селекционного процесса. Даже в случае встраивания одной копии трансгена его активность может быть недостаточной. Поэтому получают много трансформантов, из которых отбирают лучшие по активности трансгенов и по комплексу хозяйственных признаков, без видимых мутаций и других нарушений.

Явление ослабления активности гена при увеличении числа его копий весьма широко используется в генетической инженерии для улучшения качественных характеристик сортов или пород. Так, с помощью привнесения дополнительных копий отдельных генов растений получены томаты с длительным сроком хранения, картофель с повышенным качеством крахмала (без амилозы), соя, рапс с улучшенным качеством масла, кофе без кофеина. В генетической инженерии животных таким образом снижают активность генов, ответственных за выработку белков-аллергенов (в креветках, в молоке коров, коз).

Итак, генно-инженерные организмы отличаются от исходных генотипов весьма незначительно: к 25 - 35 тысячам существующих генов добавляют один-два новых. При этом следят, чтобы активность собственных генов растения или животного не изменилась, чтобы не ухудшились его потребительские качества. [9, 10, 11, 12, 13]