рДНК-биотехнология. Способы
биотрансформации клеток
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1 Основные группы ферментов
генетической инженерии
1.1 Рестриктазы
1.1.1 Механизм действия
рестриктаз
1.1.2 Построение рестрикционных
карт
1.3 Лигазы
2 Введение нового гена
в клетку
2.1 Регуляция экспрессии
гена у прокариот
2.2 Способы прямого введения
гена в клетку
2.3 Введение генов в
клетки млекопитающих
2.4 Генетическая трансформация
соматических клеток млекопитающих
2.5 Генотерапия
2.6 Получение трансгенных
животных
Заключение
Список литературы
Введение
Генетическая инженерия
- конструирование in vitro функционально
активных генетических структур
(рекомбинантных ДНК), или иначе
- создание искусственных генетических
программ (Баев А. А.). По Э. С.
Пирузян генетическая инженерия
- система экспериментальных приемов,
позволяющих конструировать лабораторным
путем (в пробирке) искусственные
генетические структуры в виде
так называемых рекомбинантных
или гибридных молекул ДНК.
Речь идет о направленном,
по заранее заданной программе
конструировании молекулярных генетических
систем вне организма с последующим
введением их в живой организм.
При этом рекомбинантные ДНК
становятся составной частью
генетического аппарата рецепиентного
организма и сообщают ему новые
уникальные генетические, биохимические,
а затем и физиологические
свойства.
Цель прикладной генетической
инженерии заключается в конструировании
таких рекомбинантных молекул
ДНК, которые при внедрении
в генетический аппарат придавали
бы организму свойства, полезные
для человека.
Технология рекомбинантных
ДНК использует следующие методы:
- специфическое расщепление
ДНК рестрицирующими нуклеазами,
ускоряющее выделение и манипуляции
с отдельными генами;
- быстрое секвенирование
всех нуклеотидов очищенном фрагменте
ДНК, что позволяет определить
границы гена и аминокислотную
последовательность, кодируемую им;
- конструирование рекомбинантной
ДНК;
- гибридизация нуклеиновых
кислот, позволяющая выявлять специфические
последовательности РНК или ДНК
с большей точностью и чувствительностью,
основанную на их способности
связывать комплементарные последовательности
нуклеиновых кислот;
- клонирование ДНК: амплификация
in vitro с помощью цепной полимеразной
реакции или введение фрагмента
ДНК в бактериальную клетку, которая
после такой трансформации воспроизводит
этот фрагмент в миллионах
копий;
- введение рекомбинантной
ДНК в клетки или организмы.
История генетической инженерии
Генная инженерия появилась
благодаря работам многих исследователей
в разных отраслях биохимии
и молекулярной генетики. На протяжении
многих лет главным классом
макромолекул считали белки. Существовало
даже предположение, что гены
имеют белковую природу. Лишь
в 1944 году Эйвери, Мак Леод и
Мак Карти показали, что носителем
наследственной информации является
ДНК. С этого времени начинается
интенсивное изучение нуклеиновых
кислот. Спустя десятилетие, в
1953 году Дж. Уотсон и Ф. Крик
создали двуспиральную модель
ДНК. Именно этот год принято
считать годом рождения молекулярной
биологии.
На рубеже 50 - 60-х годов
были выяснены свойства генетического
кода, а к концу 60-х годов
его универсальность была подтверждена
экспериментально. Шло интенсивное
развитие молекулярной генетики,
объектами которой стали E. coli,
ее вирусы и плазмиды. Были
разработаны методы выделения
высокоочищенных препаратов неповрежденных
молекул ДНК, плазмид и вирусов.
ДНК вирусов и плазмид вводили
в клетки в биологически активной
форме, обеспечивая ее репликацию
и экспрессию соответствующих
генов. В 70-х годах был открыт
ряд ферментов, катализирующих
реакции превращения ДНК. Особая
роль в развитии методов генной
инженерии принадлежит рестриктазам
и ДНК-лигазам.
Историю развития генетической
инженерии можно условно разделить
на три этапа. Первый этап
связан с доказательством принципиальной
возможности получения рекомбинантных
молекул ДНК in vitro. Эти работы
касаются получения гибридов
между различными плазмидами. Была
доказана возможность создания
рекомбинантных молекул с использованием
исходных молекул ДНК из различных
видов и штаммов бактерий, их
жизнеспособность, стабильность и
функционирование.
Второй этап связан
с началом работ по получению
рекомбинантных молекул ДНК между
хромосомными генами прокариот
и различными плазмидами, доказательством
их стабильности и жизнеспособности.
Третий этап - начало
работ по включению в векторные
молекулы ДНК (ДНК, используемые
для переноса генов и способные
встраиваться в генетический
аппарат клетки-рецепиента) генов
эукариот, главным образом, животных.
Формально датой рождения
генетической инженерии следует
считать 1972 год, когда в Стенфордском
университете П. Берг, С. Коэн,
Х. Бойер с сотрудниками создали
первую рекомбинантную ДНК, содержавшую
фрагменты ДНК вируса SV40, бактериофага
и E. coli.
1 Основные группы ферментов
генетической инженерии
Генетическая инженерия
- потомок молекулярной генетики,
но своим рождением обязана
успехам генетической энзимологии
и химии нуклеиновых кислот, так
как инструментами молекулярного
манипулирования являются ферменты.
Если с клетками и клеточными
органеллами мы подчас можем
работать микроманипуляторами, то
никакие, даже самые мелкие
микрохирургические инструменты
не помогут при работе с
макромолекулами ДНК и РНК.
Что же делать? В роли "скальпеля",
"ножниц" и "ниток для сшивания"
выступают ферменты.
Только они могут
найти определенные последовательности
нуклеотидов, "разрезать" там
молекулу или, наоборот, "заштопать"
дырку в цепи ДНК. Эти ферменты
издавна работают в клетке, выполняя
работы по репликации (удвоению)
ДНК при делении клетки, репарации
повреждений (восстановлению целостности
молекулы), в процессах считывания
и переноса генетической информации
из клетки в клетку или в
пределах клетки. Задача генного
инженера - подобрать фермент, который
выполнил бы поставленные задачи,
то есть смог бы работать
с определенным участком нуклеиновой
кислоты.
Следует отметить, что
ферменты, применяемые в генной
инженерии, лишены видовой специфичности,
поэтому экспериментатор может
сочетать в единое целое фрагменты
ДНК любого происхождения в
избранной им последовательности.
Это позволяет генной инженерии
преодолевать установленные природой
видовые барьеры и осуществлять
межвидовое скрещивание.
Ферменты, применяемые
при конструировании рекомбинантных
ДНК, можно разделить на несколько
групп:
- ферменты, с помощью которых
получают фрагменты ДНК (рестриктазы);
- ферменты, синтезирующие
ДНК на матрице ДНК (полимеразы)
или РНК (обратные транскриптазы);
- ферменты, соединяющие фрагменты
ДНК (лигазы);
- ферменты, позволяющие осуществить
изменение структуры концов фрагментов
ДНК.
1.1 Рестриктазы
Общепринято термины
"рестриктаза", "эндонуклеаза
рестрикции" и "сайт специфическая
эндодезоксирибонуклеаза" считать
синонимами.
Все рестрикционные
эндонуклеазы бактерий узнают
специфические, довольно короткие
последовательности ДНК и связываются
с ними. Этот процесс сопровождается
разрезанием молекулы ДНК либо
в самом сайте узнавания, либо
в каком-то другом, что определяется
типом фермента. Наряду с рестрикционной
активностью бактериальный штамм
обладает способностью метилировать
ДНК; для этого процесса характерна
такая же специфичность в отношении
последовательностей ДНК, как
и для рестрикции. Метилаза добавляет
метильные группы к адениновым
или цитозиновым остаткам в
том же сайте, в котором связывается
рестрикционный фермент. В результате
метилирования сайт становится
устойчивым к рестрикции. Следовательно,
метилирование защищает ДНК от
разрезания.
Различают 3 основных
класса рестриктаз: 1, 2 и 3.
Все рестриктазы узнают
на двуспиральной ДНК строго
определенные последовательности,
но рестриктазы 1-го класса
осуществляют разрывы в произвольных
точках молекулы ДНК, а рестриктазы
2-го и 3-го классов узнают
и расщепляют ДНК в строго
определенных точках внутри сайтов
узнавания или на фиксированном
от них расстоянии.
Ферменты типов 1 и
3 имеют сложную субъединичную
структуру и обладают двумя
типами активностей - модифицирующей
(метилирующей) и АТФ-зависимой эндонуклеазной.
Ферменты второго класса
состоят из 2 отдельных белков: рестрицирующей
эндонуклеазы и модифицирующей
метилазы, поэтому в генной инженерии
используются исключительно ферменты
2-го класса. Они нуждаются в
ионах магния в качестве кофакторов.
В настоящее время
выделено более 500 рестриктаз
класса 2, однако среди ферментов,
выделенных из различных микроорганизмов,
встречаются такие, которые узнают
на ДНК одни и те же последовательности.
Такие пары или группы называют
изошизомерами. Различают истинную
изошизомерию, когда ферменты узнают
одну и ту же последовательность
нуклеотидов и разрывают ДНК
в одних и тех же точках,
и ложную, когда ферменты, узнавая
один и тот же сайт на
ДНК, производят разрывы в разных
точках в пределах того же
сайта.
Большинство рестриктаз
класса 2 узнают последовательности,
содержащие от 4 до 6 нуклеотидных
пар, поэтому рестриктазы делят
на мелко- и крупнощепящие.
Мелкощепящие рестриктазы узнают
тетрануклеотид и вносят в
молекулы гораздо больше разрывов,
чем крупнощепящие, узнающие последовательность
из шести нуклеотидных пар.
Это связано с тем, что вероятность
встречаемости определенной последовательности
из четырех нуклеотидов гораздо
выше, чем последовательности из
шести нуклеотидов. Например, в
ДНК бактериофага Т7, состоящей
из 40000 пар оснований, отсутствует
последовательность, узнаваемая рестриктазой
R1 из E. coli.
К мелкощепящим относятся
рестриктазы Hpa II и Alu (из Arthrobacter luteus),
к крупнощепящим - Eco R I (из Escherichia
coli) и Hind III. Если предположить, что
участки узнавания рестриктаз
распределены вдоль цепи ДНК
случайно, то мишень для ферментов,
узнающих последовательность (сайт)
из четырех нуклеотидов, должна
встречаться в среднем 1 раз
через каждые 256 пар оснований,
а для ферментов, узнающих шесть
нуклеотидов, - через 4096 пар оснований.
Если сайт рестрикции окажется
внутри гена, то обработка ДНК-рестриктазой
приведет к его инактивации.
Вероятность такого события очень
велика при обработке мелкощепящими
рестриктазами и незначительна
при применении крупнощепящих
эндонуклеаз. Поэтому с целью
получения неповрежденного гена
расщепление проводят поочередно
несколькими крупнощепящими рестриктазами,
либо применяют прием "недорестрикции",
т.е. рестрикцию проводят в
таких условиях, когда происходит
расщепление лишь в одном сайте.
1.1.1 Механизм действия
рестриктаз
В качестве мишеней
(мест узнавания) часто выступают
палиндромы из 4-6 пар оснований
- сайты рестрикции. Точки узнавания
рестриктазами симметричны относительно
поворота на 180оС, то есть последовательность
нуклеотидов слева направо в
одной нити такая же, как справа
налево в другой. Симметрия подразумевает,
что те из них, которые должны
быть метилированы, встречаются
на обеих цепях ДНК. В результате
сайт-мишень может быть полностью
метилирован (обе цепи модифицированы),
полуметилирован (только одна
цепь метилирована) или не метилирован.
Полностью метилированный
сайт не подвержен ни рестрикции,
ни модификации. Полуметилированный
сайт не узнается ферментом
рестрикции, но может быть превращен
с помощью метилазы в полностью
метилированный. У бактерий метилирование,
как правило, связано с сохранением
имеющегося состояния модификации.
Репликация полностью метилированной
ДНК ведет к образованию полуметилированной
ДНК. Вероятно узнавание полуметилированных
сайтов представляет собой обычный
этап функционирования метилазы
in vivo.
Неметилированный сайт-мишень
пред¬ставляет собой субстрат
либо для рестрикции, либо для
модификации in vitro. В клетке немодифицированная
ДНК с большей вероятностью
рестрицируется. Реакция разрезания осуществляется
в две ступени. Сначала разрезается одна
цепь ДНК, а затем рядом разрезается другая.
В областях, прилегающих с каждой стооны
к сайту разрезания, может иметь место
экзонуклеотическая деградация. Происходит
эффективный гидролиз АТФ, роль которого
еще не выяснена.
Каким образом фермент
узнает один сайт, а разрезает
другой, достаточно удаленный? Важно
отметить, что белок никогда не
отделяется от молекулы ДНК,
с которой он первоначально
связался. Если фермент инкубировать
со смесью модифицированной и
немодифицированной ДНК, он предпочтительно
разрезает немодифицированную ДНК.
Следовательно, узнавая сайт связывания,
белок не отделяется от неметилированной
ДНК для того, чтобы найти сайт
разрезания.
Существуют две альтернативные
модели, объясняющие взаимосвязь
между сайтами узнавания и
разрезания: в соответствии с
одной из них движется фермент,
согласно другой модели, перемещается
ДНК. Если движется фермент,
то его перемещение вдоль ДНК
будет продолжаться до тех
пор, пока он не сделает выбор
сайта разрезания. Если же движется
ДНК, то фермент остается прикрепленным
в сайте узнавания, а ДНК
протаскивается через второй
сайт связывания на ферменте,
и это продолжается до тех
пор, пока фермент не достигает
области разрезания (пока не охарактеризованной).
Получены электронно-микроскопические
данные, свидетельствующие, что фермент
вызывает образование петли в
ДНК и остается, по-видимому, связанным
с сайтом узнавания после разрезания;
эти данные подтверждают вторую
модель.