Манипуляции с генетическим материалом. Генная инженерия

1. Манипуляции с генетическим материалом Генная инженерия

2. Генная инженерия

• Сущность генной инженерии состоит в
том, что в организм (чаще прокариотный)
встраивается ген или группа генов другого
организма, часто очень далекого по своему
происхождению.
• Измененная таким образом молекула ДНК
называется рекомбинантной, а сами
организмы получили название
трансгенных или генетически
модифицированных.
• Первая рекомбинантная (гибридная) ДНК,
полученная в лаборатории Берга
(нобелевский лауреат) в США в 1972 г,
объединяла фрагменты ДНК фага λ
(лямбда), кишечной палочки и обезьяньего
вируса SV 40.

3. Генная инженерия

• Методом рекомбинантных плазмид ген
инсулина человека был встроен в ДНК
кишечной палочки, и бактерия начала
активно синтезировать гормон. В 1982 г.
инсулин человека стал одним из первых
фармацевтических препаратов,
полученных с помощью методов генной
инженерии.
• Аналогичным способом с 1980 г.
получают гормон роста - соматотропин.
• Человеческий ген, встроенный в геном
бактерии, обеспечивает синтез гормона,
инъекции которого используются при
лечении карликовости и восстанавливают
рост больных детей почти до нормального
уровня.

4. Генная инженерия

• Генная инженерия возникла на стыке 3-х
наук:
• 1. молекулярная биология (открытие
структуры и особенностей работы генов);
• 2. микробиология (помогла найти
векторы для генно-инженерных работ –
плазмиды – внехромосомные факторы
наследственности бактерий, состоящие
из небольших кольцевых молекул ДНК);
3. энзимология (открытие и синтез ферментов – рестриктаз,
способных «узнавать» определенные последовательности
нуклеотидов в ДНК и разрезать их так, чтобы на концах молекул
образовывались одноцепочечные «липкие» концы, и лигаз,
сшивающих ДНК заново.

5. Генная инженерия

• Плазмиды – внехромосомные факторы наследственности,
способные стабильно существовать в клетке в автономном, не
связанном с хромосомами состоянии. Это кольцевые
двухцепочечные молекулы ДНК. Роль плазмид могут выполнять
также некоторые умеренные бактериофаги (вирусы), встроенные в
основную молекулу ДНК бактерии.
• Некоторые плазмиды, называемые эписомами, способны
соединяться с хромосомами при конъюгации основной ДНК и ДНК
плазмиды. Классическими примерами эписом являются фактор
фертильности (определяет и контролирует конъюгацию между
бактериями), который может встраиваться в хромосому бактерии
кишечной палочки более, чем в 20 различных участках, и фаг λ
(лямбда), включаемый в строго определенную область этой же
бактерии.
• Некоторые бактериальные эписомы при переносе в клетки других
м/о утрачивают способность встраиваться в основную ДНК и
становятся типичными плазмидами. Известны также случаи, когда
некоторые плазмиды при определенных условиях приобретают
свойства эписом. Исключение эписомы из основной хромосомы
происходит также за счет конъюгации. При этом в конъюгации
может участвовать не только эписома, но и прилегающие к ней гены
бактерии (такой процесс переноса генетического материала
называется секдукция).

6. Генная инженерия

• Плазмиды часто придают содержащим их клеткам новые свойства:
способность передавать гены при конъюгации, придают
устойчивость к антибиотикам и сульфаниламидным препаратам,
способность подавлять рост бактерий другого вида или штамма.
• Плазмиды используются в генетических исследованиях в качестве
переносчиков чужеродной ДНК (векторов). Рекомбинантные
плазмиды в питательной среде способны внедряться в клетки прои эукариот, а затем встраиваться в их ДНК.

7. Генная инженерия

• Ключевое значение при
реконструировании рекомбинатной
ДНК имеют ферменты –
рестрикционные эндонуклеазы рестриктазы, рассекающие молекулу
ДНК на фрагменты по строго
определенным местам. Самим
бактериям рестриктазы нужны для
разрушения вирусной ДНК, попавшей в
клетку. Рестриктазы распознают
определенные последовательности
нуклеотидов – т.н. сайты – участки
узнавания – и разрывают молекулу ДНК
• наискосок с образованием одноцепочечных «хвостов» – т.н. липких
концов.
• У разных видов бактерий выделено около 200 различных рестриктаз,
для которых описаны сайты рестрикции.

8.

1. Рестрикция
3. Трансформация
2. Лигирование

9. Метод рекомбинантных плазмид

• Метод рекомбинантных плазмид включает в себя несколько
последовательных этапов:
• 1. Рестрикция - вырезание из молекулы ДНК фрагмента с нужным
геном и липкими концами ферментом рестриктазой (ген можно
синтезировать искусственно). Тем же ферментом разрезают
плазмидную ДНК, поэтому липкие концы плазмиды
комплиментарны липким концам гена.
• 2. Лигирование – вшивание гена в плазмидную ДНК (фермент
лигаза) и получение рекомбинантной плазмиды;
• 3. Трансформация – введение рек-плазмиды в бактериальную
клетку, после чего она начинает синтезировать нужный белок, а при
делении, передает рек-плазмиду дочерним клеткам. Однако, частота
попадания плазмиды в клетку при трансформации невысока –
только в 1 клетку из тысячи.
• 4. Скрининг – отбор колоний бактерий, содержащих рекплазмиды с нужным геном.

10. Этапы образования рекомбинантной ДНК

Трансформация – введение
рекомбинантной плазмиды в
бактериальную клетку
Отбор колоний бактерий

11. Генная инженерия у эукариот

• Один из первых успешных экспериментов
по созданию генетически
модифицированных животных был
произведен на мышах, в геном которых был
встроен ген гормона роста крыс. В
результате трансгенные мыши росли
гораздо быстрее и в итоге были в 2 раза
больше обычных мышей.
• Канадские ученые ввели в геном лосося
ген другой рыбы, который активировал ген
гормона роста. Это привело к тому, что
лосось рос в 10 раз быстрее и набирал вес, в
30 раз превышающий норму.
Созданы трансгенные овцы, генотип которых содержит ген,
отвечающий за синтез особого белка – фактора свертываемости
крови IX. Этот белок, вырабатываемый клетками молочной железы,
выделяется из овечьего молока и используется для лечения больных
гемофилией.

12. Генная инженерия у эукариот

• Бактерия тюрингская бацилла выделяет
эндотоксин, убивающий многих вредных
насекомых.
• Ген, отвечающий за синтез этого токсина,
был выделен из генома бактерии и
встроен в геном культурных растений.
• К настоящему времени уже созданы
устойчивые к вредителям сорта кукурузы,
риса, картофеля, помидоров, свеклы,
табака.
• Сейчас получены сорта культурных
растений, устойчивые к действию
гербицидов путем «вшивания» гена
сальмонеллы, обеспечивающего такую
невосприимчивость.

13. Генная инженерия у эукариот

• Введение гена моркови в генотип риса уже
сейчас обеспечивает потребность жителей
Юго-Восточной Азии в витамине А,
необходимом для нормального зрения и
роста.
• Вживление генов северных рыб в геном
томатов и клубники делают их
морозоустойчивыми. Удалось добиться
морозоустойчивости винограда путем
внедрения в его геном гена от дикорастущего
родственника капусты брокколи.

14.

• Домашнее задание § 19