Генетическая инженерия и ее возможности для практики

Использование методов генетической инженерии уже сегодня дает возможность диагностировать а, в недалеком будущем, и лечить наследственные заболевания людей, вести поиск путей избавления от СПИДа и онкологических заболеваний.

Изменение функциональной активности генов приводит к значительному повышению образования белка в E. сoli.

Объединение субъединицы А дифтерийного токсина и гормона А человека позволило создать препарат, токсичный для клеток миомы, а бактериального штамма Psendomonas putida - способного разрушать камфару, октан, ксилол и нафталин.

Получены новые штаммы микроорганизмов, способные расти на дешевых субстратах (молочная сыворотка и целлюлозосодержащие отходы).

Методы генетической инженерии позволяют конструировать новые гены с заданными свойствами и вводить их практически в любую хромосому организма. Работа этих генов приводит к образованию определенного типа соединений, которые используются в различных областях народного хозяйства: фармакологии, пищевой промышленности, химической промышленности, сельском хозяйстве (рис.8.17).

Фармакология. Проведение диагностики заболеваний с помощью ферментов, вакцинация вирусными антигенами; лечение наследственных заболеваний при помощи индивидуальных генов; лечение и профилактика заболеваний антибиотиками, стероидными гормонами, аминокислотами, витаминами и другими соединениями (рис. 8.17; 1).

1 2 3 4

Рис. 8.17. Ферменты: для диагностики заболеваний (1); ароматические пищевые добавки (2); этанол из целлюлозы (3); инсектициды против насекомых – вредителей (4)

Пищевая промышленность. Создание ароматических и пищевых добавок на основе аминокислот, витаминов, ароматических веществ, вторичных соединений; производство сахара при переработке целлюлозы; производство искусственных подсластителей на основе коротких пептидов (рис. 8.17; 2).

Химическая промышленность. Получение промежуточных продуктов химических технологий, в частности ароматических и алифатических веществ; технологические процессы при участии ферментов; производство этанола при переработке целлюлозы (рис. 8.17; 3).

Сельское хозяйство. Использование кормовых добавок с аминокислотами и витаминами; лечение животных при помощи антибиотиков; применение инсектицидов против насекомых-вредителей; использование симбиотических систем растений с микроорганизмами, способствующими лучшей фиксации азота; получение урожая от трансгенных растений с улучшенными качествами, питательной ценностью и др.(рис. 8. 17.4).

Получение вакцин методом генной инженерии. Вакцина – препарат, получаемый из микроорганизмов или продуктов их жизнеспособности и применяемый для активной иммунизации людей. Вакцины бывают аттенцированные (живые ослабленные), убитые и субъединичные (химические).

Вакцины, приготовленные из специально ослабленных культур, неспособных вызвать заболевание, но способных размножаться, называют живыми вакцинами. Во многих случаях в качестве живых вакцин используют генетически модифицированные (рекомбинантные) микроорганизмы (бактерии или вирусы). У патогенного микроорганизма удаляют гены, ответственные за вирулентность, носпособность вызвать иммунный ответ при этом сохраняется. Выращивание в чистой культуре исключает возможность спонтанного восстановления целого гена.

Широкое распространение инфекционных заболеваний среди людей (грипп, оспа, гепатит) и животных (бешенство) приводит к необходимости использования вакцин для повышения иммунитета организма к действию патогенов, вызывающих эти заболевания. В последнее десятилетие, с развитием технологии рекомбинантных ДНК, появилась возможность создать новое поколение вакцин методами генной инженерии для повышения иммунитета организма к действию патогенов (рис. 8.18):

1. Противогерпетических вакцин (рис. 8.18;1).

2. Использованием модифицированного гена вируса герпеса HSV-1 для получения антител, используемых в создании эффективных противоящурных вакцин (8.18;2).

3. Применение гена вируса для получения антител и разработки вакцин от туберкулёза (рис. 8.18;3).

4. Противохолерных вакцин на основе бактерии Vibrio cholerae, у которой изменен ген, ответственный за синтез холерного токсина (8. 18;4).

1 2 3 4 5 6

Рис. 8.18. Новое поколение генно – инженерных вакцин для иммунитета от: герпеса (1; клиническая картина); ящура (2; мышечная ткань, поражённая вирусом); туберкулёза (3; лёгочная ткань при туберкулёзе); холеры (4; бактерия Vibrio cholerae); сальмонеллёза (5; бактерия Solmonella); лейшмании (6; бактерия Leishmania major)

5. Получение противосальмонеллёзной вакцины на основе бактерии Solmonella (рис.8.18;5).

6. Использование бактерии Leishmania major для получения противолейшманиозной вакцины (8.19;6).

Первая полученная вакцина. Эффект вакцинации открыл более 200 лет назад (в 1796 году) врач Эдвард Дженнер. Он экспериментально доказал, что человек, перенёсший коровью оспу (не очень тяжёлую болезнь крупного рогатого скота) становится невосприимчив к оспе натуральной (заболеванию с высокой смертностью). Дженнер публично провёл прививку коровьей оспы 8-летному мальчику Джеймсу Фиппсу из выделений пациентки больной коровьей оспой, затем, через определённое время, дважды инфицировал (заражал) ребёнка гноем больного натуральной оспой. Все проявления заболевания ограничивались покраснением в месте прививки, исчезнувшим через три дня.

Молекулярная диагностика заболеваний. Большинство методов диагностики инфекционных и генетических заболеваний основано на обнаружении в крови больного человека или животного специфических антител, образующихся в ответ на действие антигенов.

Методы диагностики заболеваний:

1. Моноклональные антитела (белки, образуемые лимфоцитом в ответ на действие одного антигена);

2. ДНК-зонды (меченые фрагменты ДНК, которые могут распознавать определенные гены).

Моноклональные антитела используются для диагностики различных инфекционных заболеваний – холеры, краснухи; злокачественных опухолей человека и животных.

ДНК-зонды используются для выявления заболеваний на уровне генов: малярии, трипаносомоза, серповидной анемии.

Судебная медицина.

ДНК-зонды находят широкое применение в судебной медицине (метод геномной дактилоскопии). С его помощью можно доказать, что подозреваемый человек действительно совершил преступление или, напротив, он невиновен. Для этого берут пробу крови, кусочек кожи или волосы. Геномную дактилоскопию применяют также при установления отцовства. Часть ДНК-отпечатка ребёнка должна соответствовать ДНК-отпечатку матери, а часть – отца. ДНК-зонды могут быть длинными (более 100 нуклеотидов) или короткими (менее 50 нуклеотидов), представлять собой продукт химического синтеза, клонированные интактные гены или их фрагменты.

Генетические болезни человека и генная терапия in vivo.

В самом общем смысле под генной терапией соматических клеток человека понимают коррекцию специфического наследственного заболевания путем введения в клетку-мишень функционального экспрессирующегося гена.

Клонированный «терапевтический ген» кодирует белок, корректирующий генетический дефект. Ген доставляется к клеткам определенной ткани пациента с наследственным заболеванием и экспрессируется в них. При идеальной системе доставки обеспечивается высокая эффективность поглощения «терапевтического гена» клетками-мишенями, минимальное внутриклеточное разрушение его при транспортировке в ядро и поддержание уровня экспрессии, достаточного для облегчения состояния больного.

Этапы генной терапии: 1. Получение клеток от больного (рис. 8.19). Использование собственных клеток пациента (аутологичных клеток) гарантирует, что после инфузии или трансплантации у него не разовьется иммунный ответ (1).

2 1

3 4

Рис. 8.19. Схема этапов генной терапии

2. Культивирование клеток (2). Клетки реципиента культивируются в питательной среде.

3. Перенос гена (3). Для исправления генетического дефекта «терапевтический ген» переносят в изолированные клетки с помощью ретровирусных векторов или других систем доставки.

4. Наращивание клеток. Отбирают и наращивают генетически « исправленные клетки».

5. Введение клеток реципиенту (4). При этом у реципиента не развивается нежелательного иммунного ответа, но сама процедура является весьма дорогостоящей и трудоёмкой.

Наследственные заболевания человека.

В настоящее время уже описано свыше 5000 наследственных заболеваний человека, но только приблизительно для тысячи из них найдены и картированы повреждаемые гены.

В случае генетических болезней генная терапия осуществляется путём введения нормального гена в ту ткань, где этот ген должен функционировать.

Однако большинство этих болезней вызвано изменениями в нескольких генах, поэтому практикуется не исправлять эти дефекты, а ослаблять их последствия введением соответствующих генов.