Молекулярно-генетические механизмы изменчивости

В конце 1950-х гг. одновременно русскими и французскими учеными была выдвинута гипотеза о том, что частота встречаемости и порядок расположения нуклеотидов в ДНК имеют специфический для видов характер. Эта гипотеза позволила изучать на молекулярном уровне эволюцию живого и характер видообразования.

Существует несколько механизмов изменчивости на молекулярном уровне. Важнейшим из них является уже упоминавшийся нами механизм мутации генов – непосредственное преобразовайие самих генов, находящихся в хромосоме, под воздействием внешних факторов. Факторами, вызывающими мутацию (мутагенами), являются: радиация, токсичные химические соединения, а также вирусы. При мутациях порядок расположения генов в хромосоме не меняется.

Еще один механизм изменчивости – рекомбинация генов, т.е. создание новых комбинаций генов, располагающихся в конкретной хромосоме. При рекомбинации сами гены не меняются, а перемещаются с одного участка хромосомы на другой, или идет обмен генами между двумя 'хромосомами. Такой процесс имеет место при половом размножении у высших организмов. При этом не происходит изменения общего объема генетической информации, он остается неизменным. Этот механизм объясняет, почему дети лишь частично похожи на своих родителей – они наследуют признаки от обоих родительских организмов, которые сочетаются случайным образом.

Следующий механизм изменчивости был открыт лишь в 1950-е годы. Это – неклассическая рекомбинация генов, при которой происходит общее увеличение объема генетической информации за счет включения в геном клетки новых генетических элементов, привносимых чаще всего в клетку вирусами. Сегодня обнаружено несколько типов трансмиссивных генов. Среди них плазмиды, представляющие собой двухцепочечную кольцевую ДНК. Из-за них после длительного использования каких-либо лекарств наступает привыкание к этим лекарствам, и они перестают действовать. Патогенные бактерии, против которых действует наше лекарство, связываются с плазмидами, которые придают этим бактериям устойчивость к лекарству, и бактерии перестают его замечать.

Мигрирующие генетические элементы могут вызывать как структурные перестройки в хромосомах, так и мутации генов. Возможность использования таких элементов человеком привела к появлению новой науки – генной инженерии, целью которой является создание новых форм организмов с заданными свойствами, конструирование новых, не существующих в природе сочетаний генов с помощью генетических и биохимических методов. Процесс генной инженерии сводится к видоизменению ДНК, которой кодируется производство белка с нужными свойствами, на чем базируются все современные биотехнологии.

С помощью рекомбинантной ДНК можно синтезировать разнообразные гены и вводить их в клоны (колонии идентичных организмов) для направленного синтеза белка. Так, в 1978 г. был синтезирован инсулин – белок для лечения диабета. Нужный ген был введен в плазмиду и внедрен в обычную бактерию.

Генетики работают над созданием безопасных вакцин от вирусных инфекций, так как традиционные вакцины представляют собой ослабленный вирус, который должен вызывать выработку антител, и их введение связано с определенным риском. Генная инженерия позволяет получить ДНК, кодирующую поверхностный слой вируса. В этом случае иммунитет вырабатывается, но заражение организма исключено.

Химически приготовленные последовательности ДНК можно использовать для выявления генетических дефектов, говорящих о предрасположенности организма к какому-то заболеванию. Есть надежда, что генетические болезни будут излечиваться путем замещения дефектных генов или введения генов, полученных методами генной инженерии.

Огромную роль генная инженерия играет в охране окружающей среды. С этой целью созданы микроорганизмы для очистки сточных вод, переработки отходов и отбросов предприятий, а также бактерии, очищающие воду от примесей нефти.

Также генная инженерия позволяет сохранять ценные породы скота. Законсервированный ген нужной породы можно ввести в организм любой другой породы и получить его развитие в этом организме.

В генной инженерии рассматривается вопрос о продолжении жизни и возможности бессмертия путем изменения генетической программы человека. В этих целях можно увеличить защитные ферментные функции клетки, оберегать молекулы ДНК от различных повреждений, связанных как с нарушением обмена веществ, так и с влиянием окружающей среды. Кроме того, ученым удалось открыть пигмент старения и создать специальный препарат, освобождающий клетки от него. Было также замечено, что в момент деления клетки уменьшаются теломеры - особые хромосомные структуры, расположенные на концах клеточных хромосом, Дело в том, что при репликации ДНК специальное вещество – полимераза – идет по спирали ДНК, снимая с нее копию. Но копировать ДНК полимераза начинает не с самого начала, а оставляет каждый раз недокопированный кончик. Поэтому с каждым последующим копированием спираль ДНК укорачивается за счет концевых участков, не несущих никакой информации, – теломер. Как только теломеры исчерпываются, при последующих копированиях начинает сокращаться часть ДНК, несущая генетическую информацию, что и является причиной старения клеток. В 1997 г. в США и Канаде был проведен эксперимент по искусственному удлинению теломер с использованием вновь открытого клеточного фермента – теломе-разы, способствующей наращиванию теломер. После удлинения теломер клетки обрели способность многократно делиться, полностью сохраняя свои нормальные свойства и не превращаясь в раковые клетки.

В последнее время стали широко известны успехи генных инженеров в области клонирования – точного воспроизведения того или иного живого объекта из соматической клетки в определенном количестве копий. При этом выращенная особь генетически неотличима от родительского организма.

Получение клонов у организмов, размножающихся посредством партеногенеза, без предшествующего оплодотворения, не является чем-то особенным и давно используется генетиками. У высших организмов также известны случаи естественного клонирования – рождение однояйцевых близнецов. Но искусственное получение клонов высших организмов связано с серьезными трудностями. Тем не менее, в феврале 1997 г. в лаборатории Яна Вильмута в Эдинбурге был разработан метод клонирования млекопитающих, и с его помощью была выращена овечка Долли. Для этого у овцы породы Шотландской черномордой извлекли яйцеклетки, поместили их в искусственную питательную среду и удалили из них ядра. Затем взяли клетки молочной железы взрослой беременной овцы породы Финский дорсет, несущие полный генетический набор. Эти клетки через некоторое время слили с безъядерными яйцеклетками и активировали их развитие посредством электрического удара. Развивающийся зародыш в течение шести дней рос в искусственной среде, после чего эмбрионы были трансплантированы в матку приемной матери, где и развивались до рождения. Но из 236 опытов успешным оказался лишь один – выросла овечка Долли.

После этого Вильмут заявил о принципиальной возможности клонирования человека, вызвавшей самые оживленные дискуссии не только в научной среде, но и в парламентах многих стран. Ведь такая возможность связана с очень серьезными моральными, этическими и юридическими проблемами. Не случайно в некоторых странах уже приняты законы, запрещающие клонирование человека. Ведь большинство клонированных эмбрионов гибнет. Кроме того, велика вероятность рождения уродов. Так что такие опыты аморальны, да и просто опасны с точки зрения сохранения чистоты вида Homo sapiens. To, что риск слишком велик, подтверждается информацией, пришедшей в начале 2002 г., сообщающей о заболевании овечки Долли артритом – болезнью, не характерной для овец.

Поэтому намного более перспективным направлением исследования является изучение генома (всей совокупности генов) человека. В 1988 г. по инициативе Дж. Уотсона была создана международная организация «Геном человека», которая объединила множество ученых из разных стран и поставила задачу расшифровки всего генома человека. Это грандиозная задача, так как число генов в организме человека составляет от 50 до 100 тысяч, а весь геном – это более 3 млрд нуклеотидных пар. Считается, что первый этап данной программы – расшифровка последовательности расположения нуклеотидных пар – будет завершен к 2005 году. Уже проведена работа по созданию «атласа» генов, набора их карт. Первая такая карта была составлена Д. Коэном и Ж. Доссе. В окончательном варианте она была представлена в 1996 г. Ж. Вайсенбахом. Вайсенбах, изучая под микроскопом хромосому, с помощью специальных маркеров помечал ДНК различных ее участков. Затем он клонировал эти участки, выращивая их на микроорганизмах, и получал фрагменты ДНК – последовательность нуклеотидов одной цепочки ДНК, из которой состояли хромосомы. Таким образом, им было локализовано 223 гена и выявлено 30 мутаций, приводящих к 200 заболеваниям: гипертонии, диабету, глухоте, слепоте, злокачественным опухолям.

Основные достижения этой программы, пусть даже и не законченной, – возможность выявления генетической патологии на ранней стадии беременности, создание генотерапии, лечение наследственных болезней с помощью генов. Вначале выясняют, какой ген оказался дефектным, затем получают нормальный ген и вводят его во все больные клетки. При этом очень важно отследить, чтобы введенный ген работал под контролем механизмов клетки, иначе мы получим раковую клетку. Уже есть первые больные, вылеченные таким образом. Правда, пока не ясно, насколько радикально они излечены и не вернется ли болезнь в будущем. Также не ясны отдаленные последствия такого лечения.

Конечно, использование биотехнологии и генной инженерии имеет как положительные, так и отрицательные стороны. Об этом говорит опубликованный в 1996 г. Федерацией европейских микробиологических обществ меморандум. Принятие меморандума связано с тем, что широкая общественность с подозрением и враждебностью относится к генным технологиям. Страх вызывает возможность появления генетической бомбы, способной исказить геном человека. Говорят о том, что широкое внедрение новых технологий может привести к появлению неизвестных пока заболеваний и созданию биологического оружия. И наконец, в последнее время широко обсуждается вопрос распространения трасгенных продуктов питания, созданных путем внедрения генов, блокирующих развитие вирусных или грибковых заболеваний. Уже созданы и продаются трансгенные помидоры и кукуруза. На рынок поставляются хлеб, сыр и пиво, приготовленные с помощью трансгенных микробов. Такие продукты устойчивы по отношению к вредным бактериям, обладают улучшенными качествами – вкусом, питательной ценностью, крепостью и т.д. Так, в Китае выращивают устойчивые к вирусам табак, томаты и сладкий перец. Известны трансгенные томаты, устойчивые к бактериальной инфекции, картофель и кукуруза, устойчивые к грибкам. Но до сих пор неизвестны отдаленные последствия использования таких продуктов, прежде всего их воздействие на организм и геном человека.

Конечно, за двадцать лет использования биотехнологий не случилось ничего из того, что опасаются люди. Все новые микроорганизмы, созданные учеными, менее болезнетворны, чем их исходные формы. Ни разу не произошло вредного или опасного распространения рекомбинантных организмов. Тем не менее, ученые тщательно следят за тем, чтобы трансгенные штаммы не содержали генов, которые после их переноса в другие бактерии могут дать опасный эффект. Существует теоретическая опасность создания новых видов бактериологического оружия на основе генных технологий. Поэтому ученые должны учитывать этот риск и содействовать развитию системы надежного международного контроля, способного зафиксировать такие работы; разрабатывать документы, регламентирующие применение подобных технологий, правила безопасности в лабораториях и промышленности, а также правила внесения генетически модифицированных организмов в окружающую среду. Таким образом, сегодня считается, что при соблюдении соответствующих правил и предосторожностей польза, приносимая генными технологиями, перевешивает риск возможных отрицательных последствий.