Целевые гены. Трансгены и цисгены. Смысловые и антисмысловые конструкции

В таблице 9.1. представлен перечень (по состоянию на октябрь 2013 г.) официально разрешенных к хозяйственному использованию трансгенных сельскохозяйственных и декоративных культур с указанием привнесенных признаков и генов, которые их кодируют. Основные признаки: толерантность к гербицидам, устойчивость к насекомым-вредителям, устойчивость к вирусным болезням, удлинение сроков созревания и способность к длительному хранению, улучшенные качественные характеристики (состава жирных кислот растительного масла, крахмала, пониженное содержание никотина в листьях табака), улучшенные кормовые свойства, система получения гетерозисных гибридов на основе мужской стерильности/восстановления фертильности, устойчивость к засухе, пригодность для производства биотоплива. Отдельные признаки, например, толерантность к гербицидам, можно конкретизировать в зависимости от гербицида: толерантность к глифосату, глюфозинату аммония, имидозолинону, сульфонилмочевине и т.д. Устойчивость к насекомым: колорадскому жуку, повреждающему картофель, личинкам мотыльков (европейского точильщика кукурузы, хлопкового коробочного червя, розового коробочного червя хлопчатника и др.), корневым червецам на кукурузе и т.д. Имеется большое количество других ценных для селекции растений генов, которые выделены, клонированы, изучены и которые предполагается использовать для улучшения растений с помощью генно-инженерных технологий. Постоянно идет поиск новых генов, представляющих практический интерес, для чего активно используются эффективные методы геномики, протеомики, метаболомики, системной биологии и биоинформатики.

Как видно из таблицы 9.1, основная масса генов, кодирующих названные признаки, бактериального или вирусного происхождения. Их называют трансгенами. К трансгенам также относят гены от неродственных по отношению к трансформируемому растений, с которыми практически невозможно получить половые или соматические гибриды, например, от арабидопсиса как источника гена толерантности к ALS-гербицидам для сои. Использование в генно-инженерных исследованиях чужеродных генов, которые ранее не использовались в селекции растений, явилось одной из причин возникновения сомнений относительно безопасности ГМО для здоровья человека и окружающей среды. В связи с этим предложено использовать в качестве целевых так называемые цис-гены: гены и их собственные регуляторные элементы от растений того же или близкородственного дикого вида, с которым возможна половая гибридизация [Jacobsen, Schouten, 2008].

С целью изменения активности отдельных генов растений, связанных с контролем качественных характеристик или сроков созревания, применяют перенос генетических конструкций, содержащих кодирующие последовательности самих этих генов (то есть генов того же вида растения). Вставка дополнительной копии гена во многих случаях приводит к его замолканию (явление посттранскрипционного замолкания гена – posttranscriptional gene silencing) или существенному снижению активности. Дополнительные копии генов вводят в смысловой или антисмысловой ориентации (перевернутой концом по отношению к промотору, в результате чего образуется мРНК, комплементарная нормальной мРНК гена). В основе механизма замолкания гена образование двунитчатых мРНК, которые расщепляются в клетке на мелкие фрагменты (small interfering RNAs – si-RNA). Последние, соединяясь со специфическими протеинами образуют так называемый РНК-индуцированный комплекс замолкания (RNA-induced silencing complex), который способен вызывать деструкцию гомологичных мРНК в ядре клетки [Yan et al. 2006].

Использование для целей генетической модификации исключительно собственных генов растений лежит в основе интрагенного подхода при получении ГМО [Rommens et al., 2004]. Применяя различные тканеспецифические промоторы (см. 9.3.4), можно добиться ослабления или усиления экспрессии отдельных генов и благодаря этому улучшить качественные характеристики существующих сортов.