Почему митохондриальные и хлоропластные гены наследуются в основном по материнской линии

Обновлено: 30.06.2024

Данная брошюра содержит информацию о том, что такое доминантный тип наследования и каким образом наследуются доминантные заболевания. Для того, чтобы лучше понять особенности доминантного наследования, вначале будет полезно узнать, что такое гены и хромосомы.

Гены и хромосомы

Наше тело состоит из миллионов клеток. Большинство клеток содержат полный набор генов. У человека тысячи генов. Гены можно сравнить с инструкциями, которые используются для контроля роста и согласованной работы всего организма. Гены отвечают за множество признаков нашего организма, например, за цвет глаз, группу крови или рост.

Гены расположены на нитевидных структурах, называемых хромосомами. В норме, в большинстве клеток организма содержится по 46 хромосом. Хромосомы передаются нам от родителей – 23 от мамы, и 23 от папы, поэтому мы похожи на своих родителей. Таким образом, у нас два набора по 23 хромосомы, или 23 пары хромосом. Так как на хромосомах расположены гены, мы наследуем по две копии каждого гена, по одной копии от каждого из родителей. Хромосомы (следовательно, и гены) состоят из химического соединения, называемого ДНК.

Иногда в одной копии гена возникает изменение (мутация), которое нарушает нормальную работу гена. Такая мутация может привести к развитию генетического (наследственного) заболевания, так как измененный ген не выполняет нужную для организма функцию.

Рисунок 1: Гены, хромосомы и ДНК

Что такое аутосомно-доминантное наследование?

Каким образом наследуются доминантные заболевания?

Рисунок 2: Как доминантные заболевания передаются от родителя к ребенку

Если у одного из родителей присутствует измененная копия гена, то он может передать ребенку либо нормальную копию, либо измененную. Таким образом, каждый из детей такого родителя будет иметь вероятность 50% наследования измененной копии и, следовательно, иметь генетическое заболевание.

В то же время, каждый из детей имеет такой же шанс – 50% - получить от родителя нормальную копию гена. В этом случае ребенок не будет болен этим наследственным заболеванием и не сможет передать измененные копии никому из своих будущих детей.

Оба возможных варианта (исхода) происходят случайным образом. Процент риска остается одним и тем же при каждой беременности и одинаков как для мальчиков, так и для девочек.

Почему иногда кажется, что заболевание передалось через поколение?

При заболеваниях с поздним началом (проявляющимся уже во взрослом возрасте, например, наследственная форма рака груди или хорея Гентингтона) люди могут умереть раньше начала манифестации наследственного заболевания от совсем других причин, и наследственное заболевание не успевает проявить себя. Однако родители могли передать заболевание своим детям.

Что происходит в том случае, если пациент является первым в семье, у кого выявлено данное заболевание?

Иногда пациент с доминантным заболеванием может оказаться первым больным в семье. Это может объясняться тем, что в сперматозоиде или яйцеклетке, из которых развился данный ребенок, произошла новая мутация (изменение) в гене, впервые в поколениях семьи. Если такое происходит, то родители этого пациента здоровы. В этом случае вероятность рождения у этих родителей другого ребенка с таким же заболеванием очень мала, однако этот вопрос обязательно следует обсудить с врачом. Однако, больной ребенок (как сын, так и дочь), у которого появился измененный ген, в будущем может передать его своим детям.

Тесты во время беременности

Другие члены семьи

Если у кого-либо в семье есть доминантное заболевание, возможно, Вы будете обсуждать это с другими членами семьи. Эта информация может помочь другим членам семьи для решения вопроса об обследовании и диагностике заболевания. Это может быть особенно важно для тех членов семьи, у которых уже есть или будут дети.

Некоторым людям может оказаться сложно обсуждать свое генетическое заболевание с другими членам семьи. Они могут бояться причинить беспокойство членам семьи. В некоторых семьях люди из-за этого испытывают сложности в общении и теряют взаимопонимание с родственниками. Врачи-генетики, как правило, имеют большой опыт в решении подобных семейных ситуаций и могут помочь Вам в обсуждении проблемы с другими членами семьи.

Из урока ваши ученики узнают о таких типах взаимодействия неаллельных генов, как дополнительное (комплементарное) взаимодействие, эпистаз и полимерное действие генов. Узнают о плейотропном множественном действии генов. А также о цитоплазматической (нехромосомной) наследственности. В данном уроке приводятся следующие понятия: дополнительное взаимодействие, эпистаз, полимерное действие генов, цитоплазматическая наследственность.

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока "Взаимодействие неаллельных генов. Цитоплазматическая наследственность"

Организмы представляют собой сложную скоординированную систему, в которой все процессы взаимосвязаны. Связь процессов друг с другом в организме в значительной мере определяется взаимодействием генов между собой. Взаимоотношения между генами и признаками носят сложный характер.

Один и тот же ген может оказывать влияние на развитие нескольких признаков. А один и тот же признак может развиваться под влиянием многих генов.

Различают две основные группы взаимодействия генов: взаимодействие между аллельными генами и взаимодействие между неаллельнимы генами.

На одном из уроков мы с вами уже рассмотрели взаимодействия между аллельными генами: полное доминирование, неполное доминирование и кодоминирование.

Взаимодействие неаллельных генов

К такому взаимодействию относят: дополнительное (комплементарное) взаимодействие, эпистаз и полимерное действие генов.

Однако следует понимать, что это не физическое взаимодействие самих генов, а взаимодействие белков, которые эти гены кодируют.

В цитоплазме происходит взаимодействие между белками – ферментами или между веществами, которые образовываются под влиянием этих ферментов.

Дополнительное (комплементарное) взаимодействие − это такой тип взаимодействия неаллельних генов, когда один доминантный ген дополняет действие другого неаллельного доминантного гена, и они вместе определяют новый признак, который отсутствует у родителей. Причём соответственный признак развивается только в присутствии обоих неаллельних генов.

Например, при скрещивании двух чистых линий душистого горошка, которые имеют белые цветки у гибридов первого поколения все цветки будут пурпурными.

Почему так происходит? Дело в том, что в данном случае доминантные неаллельные гены А-большое и Бэ-большое, каждые в отдельности кодируют недостаточное количество пурпурного пигмента для окраски цветка.

И только при наличии обоих неаллельных доминантных генов А-большое и Бэ-большое, которые кодируют достаточное количество пигмента цветки окрашиваются в пурпурный цвет.

По принципу комплементарности наследуется окраска плодов у перца. Цвет плодов обеспечивается двумя типами пигментов – хлорофиллом и пигментами красного и жёлтого цвета.

В зависимости от их сочетания плоды могут иметь четыре различных варианта окраски.

Доминантный аллель А-большое контролирует образование красного пигмента, тогда как рецессивный аллель а-малое контролирует образование жёлтого пигмента. Доминантный аллель Бэ-большое блокирует синтез хлорофилла, не влияя на образование пигментов, тогда как рецессивный аллель бэ-малое не влияет на его синтез и такие растения синтезируют хлорофилл нормально.

При скрещивании растений с коричневыми плодами и растений с жёлтыми плодами в первом поколении все потомство будет иметь красные плоды.

А при скрещивании гетерозиготных растений перца из первого поколения. Во втором поколении будет наблюдаться расщепление.

Итак, дополнительным называют такой вид взаимодействия генов, когда для проявления признака необходимо присутствие неаллельных генов А и Бэ. Эти гены называют дополнительными или комплементарными.

Следующее взаимодействие неаллельных генов, которое мы рассмотрим это эпистаз.

Это вид взаимодействия неаллельных генов, при котором один ген подавляет (не даёт проявиться в фенотипе) другой ген.

Эпистаз противоположен комплементарному взаимодействию, здесь ген не дополняет действие другого, а подавляет.

Гены, которые подавляют действие других генов, называют генами-ингибиторами. Подавление могут вызывать как доминантные, так и рецессивные гены, и в зависимости от этого различают эпистаз доминантный и рецессивный.

Доминантный эпистаз характерен для окраски плодов у тыквы.

У этого растения известно три цвета плодов: белая, жёлтая и зелёная. Доминантный аллель гена А определяет жёлтую окраску тыквы, рецессивный аллель а-малое – зелёный цвет. Второй ген Бэ-большое проявляет эпистатическое действие – подавляет образование пигмента как жёлтого, так и зелёного цвета, делая их белыми. Рецессивный аллель бэ-малое – не влияет на проявление окраски плодов тыквы.

При скрещивании растений с белыми и зелёными плодами, все потомство первого поколения будет белым. Так как ген Бэ-большое подавляет действие гена А-большое.

А во втором поколении наблюдается расщепление признаков. В этом случае рецессивная гомозигота (a-малое a-малое бэ-малое бэ-малое) фенотипически отличима от гетерозиготных классов.

Таким образом растения, имеющие в своём генотипе хотя бы один доминантный ген Бэ-большое, будут образовывать белые плоды независимо от того, какие аллели гена А-большое будут присутствовать в их генотипах.

Следующий тип взаимодействия неаллельных генов — полимерное действие генов.

Полимерия ─ это вид взаимодействия двух и более неаллельных генов, доминантные аллели которых однозначно влияют на развитие одного и того же признака.

Часто признаки в организмах могут быть выражены слабее или сильнее – например вес, удойность, плодовитость. Такие признаки называют количественными, они определяются несколькими генами.

Полимерные гены обозначаются одной буквой, аллели одного локуса имеют одинаковый цифровой индекс.

Действие признаков суммируется, и чем больше в генотипе доминантных пар генов, которые влияют на количественный признак, тем сильнее он проявляются.

Полимерное действие генов может быть кумулятивным и некумулятивным.

При кумулятивной полимерии интенсивность значения признака зависит от суммирующего действия генов: чем больше доминантных аллелей, тем больше степень выраженности признака.

При некумулятивной полимерии количество доминантных аллелей на степень выраженности признака не влияет, а признак проявляется при наличии хотя бы одного из доминантных аллелей.

Приведём пример кумулятивной полимерии.

Бурый цвет зерна пшеницы обусловлен доминантными генами из двух пар аллелей – А-большое 1 и А-большое 2.

Поэтому самые яркие семена имеют растения, у которых четыре доминантных гена А1 А1 А 2 А2. У растений с генотипом А1 а1 а2 а2 или а1 а1 А2 а2 – зерно окрашено слабо. А у растений с генотипом а1 а1 а2 а2 − зерно не окрашено.

Например, при скрещивании растения с ярко бурыми семенами и растения с неокрашенными семенами в первом поколении все организмы получаются со слабо окрашенными семенами, так как им досталась половина доминантных генов от первого родителя.

При скрещивании гетерозиготных растений из первого поколения происходит вот такое расщепление.

Другой пример полимерного действия генов – наследование окраски кожи человека. Цвет кожи определяется четырьмя генами, расположенными в четырёх различных хромосомах. Эти гены отвечают за синтез тёмного пигмента кожи – меланина.

У европейцев чаще всего встречаются рецессивные гены, отвечающие за синтез меланина. А у самых темных африканцев доминантные.

Итак, мы рассмотрели типы взаимодействия неаллельных генов.

При комплементарном взаимодействии один ген дополняет действие другого гена.

При эпистазе один ген подавляет действие другого.

При полимерном взаимодействии проявление признака зависит от двух и более пар неаллельных генов.

Бывает и так, что несколько признаков зависит от одного гена. Такое множественное действие гена называется плейотропностью.

Плейотропное действие генов впервые было обнаружено ещё Грегором Менделем, который заметил, что у растений с пурпурными цветками стебли всегда темнее, чем у растений с белыми цветками. Развитие этих признаков определяется действием одного гена.

Плеотропное действие генов встречается и у человека. Наследственная болезнь — серповидно-клеточная анемия проявляется в результате замены одной аминокислоты в молекуле гемоглобина, что приводит к изменению формы эритроцитов.

Одновременно с этим возникают нарушения в сердечно-сосудистой, нервной, пищеварительной и выделительной системах. Это приводит к тому, что гомозиготный по этому заболеванию ребёнок погибает в детстве.

Уже давно генетики встречались с многочисленными фактами, которые не укладывались в рамки хромосомной теории наследственности.

Мы говорили, что в генах закодирована информация об определённых белках организма и эти определённые белки, синтезируясь в клетках, и являются уже основой проявления того или иного признака организма.

Вы знаете, что в наследовании признаков ведущую роль отводят ДНК, которая находится в ядре.

Однако, существует путь передачи наследственной информации через цитоплазму клетки. Такой вид наследственности называют цитоплазматической или нехромосомной.

Цитоплазматическая наследственность – это наследственность, которая осуществляется с помощью молекул ДНК, находящихся в пластидах и митохондриях. В этом случае признаки не наследуются по законам Менделя, так как указанные молекулы ДНК находятся вне хромосом.

При изучении митохондрий и пластид мы говорили они имеют собственную ДНК.

В генах этих ДНК закодирована информация о белках. А значит ДНК пластид и митохондрий несут какую-либо информацию. Благодаря ДНК митохондрии и пластиды способны самовоспроизводится.

Если клетка эвглены зелёной утрачивает пластиды, то образовать их снова она уже не может. Так, как и ДНК которая в ней находилась тоже разрушилась. И даже несмотря на то что сохранилось ядро пластиды не образуются. Так как информация хранилась в самих пластидах.

Вы знаете, что на свету эвглена зелёная питается автотрофно. Автотрофному питанию способствуют хлоропласты. В темноте они естественно не функционируют, так как нет света. Поэтому эвглена переходит на гетеротрофные питание.

Если же эвглену долгое время выдерживать в темноте, то её пластиды перестают делится. А при размножении (делении) самой эвглены, появляются особи, которые по этой причине не получили хлоропласты. То есть появляются бесхлоропластные особи.

Итак, мы сказали, что в ДНК митохондрий и пластид закодирована информация. Это информация может передаваться по наследству через цитоплазму клетки. В таком случае говорят о цитоплазматической наследственности.

При оогамной форме полового процесса, где женская гамета представлена яйцеклеткой, а мужская сперматозоидом, признаки, которые наследуются цитоплазматически, передаются только через яйцеклетку. То есть по материнской линии.

Почему? Если вспомнить строение сперматозоидов и яйцеклеток. А также то как происходит процесс оплодотворения. То все становиться сразу ясно. В цитоплазме яйцеклеток митохондрий может быть много, а вот в цитоплазме мужских гамет этих органоидов обычно нет.

Митохондрии находятся в шейки сперматозоида. При оплодотворении в яйцеклетку они не попадают. Вспомните проникает лишь генетический материал сперматозоида. Таким образом, все митохондрии и пластиды зиготы достаются ей в наследство только от материнского организма. И все признаки которые несут их ДНК, передаются от матери.

Например, пестролистность растения львиный зев передаётся по материнской линии, так как яйцеклетка содержит хлоропласты в виде пропластид.

Пластиды размножаются делением, но поскольку не все они содержат хлорофилл (в силу мутаций), растение получается пестролистным.

Наследственность — это уникальная способность живых организмов к передаче собственных признаков каждому последующему поколению.

В какой-то момент люди стали отмечать, что в процессе размножения растения и животные в своем потомстве воспроизводят определенные качества. К тому же, еще до четкого понимания механизмов передачи наследственной информации люди активно практиковали селекцию. Человек научился получать растения разных сортов и породы животных с определенными качествами и признаками.

Развитие микробиологии дало понимание, что нуклеиновые кислоты являются хранителями и переносчиками наследственной информации.

Есть два вида наследственности:

Ядерная наследственность. Она представляет собой совокупность наследственной информации, которая содержится в нуклеиновых кислотах ядра (а именно в хромосомах). Также такая наследственность называется хромосомной.
Внеядерная или цитоплазматическая наследственность. Под ней понимают способность определенных структур цитоплазмы хранить, а затем передавать следующим поколениям наследственную информацию.

Виды наследственности

Цитоплазматическая наследственность

В основе внеядерной или цитоплазматической наследственности лежит способность определенных структурных компонентов цитоплазмы к сохранению и передаче от родительского организма дочернему часть наследственной информации.

В процессе наследования главная роль отводится генам хромосом — именно они обеспечивают наследование большей части признаков организма. Тем не менее внеядерная наследственность тоже важна.

С цитоплазматической наследственностью связаны два генетических явления:

с наследованием признаков, которые обусловлены внеядерными генами, находящимися в специальных органеллах. Роль таких органелл отводится пластидам и митохондриям;
с возникновением у потомков признаков, обусловленных ядерными генами родительских форм. На их развитие и проявление оказывает влияние цитоплазма яйцеклетки.

В митохондриях и пластидах, под которыми понимают способные к самоудвоению полуавтономные органеллы, в начале 20 века ученые обнаружили наличие генов.

Пластидное наследование

Связанная с генами пластид цитоплазматическая наследственность встречается у многих цветочных растений (львиный зев, ночная красавица и др). Некоторые из них — формы с довольно пестрыми листьями. Такой признак передается только по материнской линии.

Пестрые листья — результат того, что отдельные части пластид не могут образовывать хлорофилл. Так же в ходе образования гамет (спермиев и яйцеклеток) пластиды попадают к яйцеклеткам, а не к спермиям.

Пластиды, которые размножаются делением, характеризуются генетической непрерывностью:

зеленые пластиды дают начало зеленым;
бесцветные пластиды образуют бесцветные.

В процессе деления клетки разного типа пластиды распределяются случайным образом. Так происходит образование клеток с бесцветными, зелеными или пластидами обоих вариантов одновременно.

Митохондриальная наследственность

Связанную с митохондриями цитоплазматическую наследственность изучали на примере дрожжей. Их митохондрии содержат гены, влияющие на наличие или отсутствие дыхательных ферментов. Помимо этого, эти гены определяют степень устойчивость к определенным антибиотикам.

Есть способ, который помогает проследить, как влияют ядерные гены материнского организма через цитоплазму яйцеклетки на формирование некоторых состояний отдельных признаков потомков. Для этого используется пресноводный брюхоногий моллюск-прудовик.

Для него характерно наличие форм с разными состояниями наследственного признака: раковина этого моллюска может быть закручена как влево, так и вправо.

Аллель, обеспечивающая закрученность ракушки вправо, доминирует над аллелью, гарантирующей левозакрученность. При этом само направление закрученности определяют исключительно гены материнского организма.

Правозакрученную ракушку, к примеру, могут иметь гомозиготные особи по рецессивному признаку левозакрученности. Но только тогда, когда происходят от материнского организма с доминантной аллелью правозакрученности.

Наряду с ядерными генами, локализованными в хромосомах, обнаружены факторы наследственности, расположенные в цитоплазме. Их называют плазмогенами (плазмидами). Химическую основу плазмогенов составляют молекулы ДНК. Установлено, что пластиды, митохондрии и некоторые другие органоиды содержат ДНК. В цитоплазме может находиться и чужеродная ДНК вирусов и плазмиды бактерий. Внеядерная ДНК способна реплицироваться независимо от репликации хромосом. Плазмогены находятся под контролем ядерных генов. Цитоплазматическое наследование идет по материнской линии, т.е. через цитоплазму яйцеклетки, так как сперматозоид почти не содержит ее. Критериями цитоплазматической наследственности являются: 1) отсутствие количественного менделеевского расщепления в потомстве; 2) невозможность выявить сцепление; 3) различные результаты реципрокных скрещиваний. Выделяют следующие основные виды цитоплазматической наследственности: пластидную, митохондриальную и псевдоцитоплазматическую.

Вложение	Размер
tsitoplazmaticheskaya_nasledstvennost_i_gennaya_inzheneriya.doc	48 КБ

Предварительный просмотр:

ЦИТОПЛАЗМАТИЧЕСКАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ И ГЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ

1. Цитоплазматическая наследственность.

Наряду с ядерными генами, локализованными в хромосомах, обнаружены факторы наследственности, расположенные в цитоплазме. Их называют плазмогенами (плазмидами). Химическую основу плазмогенов составляют молекулы ДНК. Установлено, что пластиды, митохондрии и некоторые другие органоиды содержат ДНК. В цитоплазме может находиться и чужеродная ДНК вирусов и плазмиды бактерий. Внеядерная ДНК способна реплицироваться независимо от репликации хромосом. Плазмогены находятся под контролем ядерных генов. Цитоплазматическое наследование идет по материнской линии, т.е. через цитоплазму яйцеклетки, так как сперматозоид почти не содержит ее. Критериями цитоплазматической наследственности являются: 1) отсутствие количественного менделеевского расщепления в потомстве; 2) невозможность выявить сцепление ; 3) различные результаты реципрокных скрещиваний. Выделяют следующие основные виды цитоплазматической наследственности: пластидную, митохондриальную и псевдоцитоплазматическую.

1.1. Открытие пластидной наследственности принадлежит К. Корренсу (1908), описавшему пестролистность у ночной красавицы. У пестролистных растений часть пластид неспособна образовывать хлорофилл. Пластиды при митозе распределяются между дочерними клетками неравномерно. Часть клеток получает только нормальные пластиды (листья будут зелеными); часть клеток получает только аномальные пластиды (листья белые, без хлорофилла, растение погибает); часть клеток получает и аномальное и нормальные пластиды (пестрые листья, белые пятна на зеленых листьях).

1.2. Митохондриальная наследственность описана Б. Эфрусси (1949). Он обнаружил, что около 1% хлебных дрожжей дают карликовые колонии. Оказалось, что клетки карликовых колоний не имеют в митохондриях дыхательных ферментов вследствие мутации плазмогенов и поэтому растут очень медленно. Гены, кодирующие дыхательные ферменты, находятся в кольцевых молекулах ДНК митохондрий. Длина каждой такой молекулы примерно 15000 пар нуклеотидов. Расчеты показали, что объем собственной наследственной информации митохондрии недостаточен для воспроизведения всей совокупности РНК и белков органоида. Многие белки включаются в структуру митохондрий, будучи запрограммированными ядерными генами.

Геном митохондрий человека представлен кольцевой молекулой ДНК, содержащей 16569 пар нуклеотидов. В состав генома входят также гены р-РНК, 22 различных т-РНК, субъединиц I, II и III оксидазы цитохрома c , субъединицы 6 АТФазы, цитохрома b и девяти других пока неизвестных белков. В митохондриальной ДНК имеется очень мало не кодирующих, участков и транскрибируются обе ее цепочки. Имеются данные о том, что некоторые пороки развития человека обусловлены мутациями митохондриальных генов (митохондриальная цитопатия, не сращение верхних дуг позвонков и сращение нижних конечностей, старческое слабоумие, паркинсонизм и др.).

В цитоплазме бактерий, обнаружены автономно расположенные плазмиды, состоящие из кольцевых молекул двухцепочечной ДНК. Они обусловливают устойчивость бактерий к лекарствам (антибиотикам), программируют синтез некоторых ядов (гемолизина, энтеротоксина). Плазмиды обеспечивают также обмен генетической информацией между микроорганизмами. Внехромосомные молекулы ДНК широко используются в генной инженерии, так как они способны включить в себя генетический материал хромосом и переносить его в другие клетки.

1.3. Псевдоцитоплазматическая наследственность обусловлена попаданием в цитоплазму клеток участков чужеродной ДНК, т.е. она представляет собой разновидность внутриклеточного паразитизма. Так, у некоторых линий мух дрозофил существует повышенная чувствительность к СО 2 . Установлено, что эта способность обусловлена передачей особых вирусов через цитоплазму яйцеклетки.

2. Генная инженерия.

На основании достижений молекулярной биологии, биохимии и генетики в последние десятилетия интенсивно развивается новое направление в генетике – генная инженерия, целью которой является конструирование генетических структур по заранее намеченному плану, создание организмов с новой генетической программой путем переноса генетической информации из одного организма в другой.

2.1. Методы генной инженерии были разработаны в 60-70-х годах XX века. Они включают следующие основные этапы: 1) получение генетического материала (выделение природных генов или химический их синтез); 2) включение этих генов в автономно реплицирующуюся генетическую структуру (некоторую молекулу) и создание рекомбинантной ДНК; 3) введение рекомбинантных молекул ДНК в клетку-реципиент и включение ее в хромосомный аппарат; 4) отбор трансформированных клеток, в геном которых включен переносимый ген.

2.2. В настоящее время применяют несколько способов получения генов для пересадки. Если полностью расшифрована последовательность нуклеотидов, то ген может быть синтезирован химическим путем. Впервые искусственный ген аланиновый т-РНК, состоящий из 77 нуклеотидов, был синтезирован индийским ученым Г. Корана (1970 г.). В 1976 г. был синтезирован ген тирозиновой т-РНК, состоящий из структурной и регуляторной частей (промотор и теминатор), который при введении в бактериальную клетку нормально функционировал. Однако химическим способом удается синтезировать только небольшие по размеру гены прокариот.

Синтез сложных генов осуществляют с помощью процессов обратной транскрипции, в основе которых лежит метод ферментативного синтеза. Выделяют и-РНК, и на ней, как на матрице, с помощью фермента ревертазы (обратной транскриптазы) синтезируется комплементарная ей нить ДНК, а затем ее реплицируют (получают комплементарную цепочку). Гены, синтезированные с помощью ревертазы, не имеют регуляторной части и промотора и, вследствие этого, не могут функционировать в животных клетках. При переносе в бактерию к структурным генам присоединяют промотор микробной клетки, после чего транскриптон начинает работать.

Полученные различными способами гены соединяются с векторными молекулами, которыми чаще служат плазмиды бактерий. Кроме плазмид в качестве вектора используются фаги и вирусы. Они передают генетическую информацию посредством трансдукции. Кольцевая молекула ДНК плазмиды разрывается той же рестриктазой, что и выделенный ген. В области разрыва образуются липкие концы, комплементарные липким концам пересаживаемого гена. Фермент лигаза сшивает липкие концы гена и плазмиды. Получается рекомбинантная молекула ДНК, которая обладает способностью проникать в клетку-реципиент. Комбинируя различные рестриктазы и лигазы, можно разрезать нить ДНК в разных местах и получать рекомбинантные молекулы.

2.4. Так как не во все клетки попадут рекомбинированные молекулы ДНК, то с помощью специальных методов (чаще всего на селективных питательных средах) проводят отбор трансформированных клеток (с перенесенным геном). В дальнейшем проводят клонирование – размножение клеток с рекомбинантной ДНК – и получают клон клеток с заданными свойствами.

2.5. Методами генной инженерии получены клоны клеток кишечной палочки, способные продуцировать соматотропин и инсулин в промышленных масштабах. Обычно эти препараты получают из соответствующих желез животных. Преимущественно препаратов, полученных методами генной инженерии, заключается в возможности синтеза их в достаточных количествах, биохимически чистыми и абсолютно стерильными.

Генная инженерия относится к современным интенсивно развивающимся направлениям генетики. С использованием ее методов созданы растения, способные усваивать атмосферный азот, микроорганизмы, разрушающие углеводороды нефти и синтезирующие из них пищевые белки. Разработаны методы внесения генов патогенных вирусов в бактериальные клетки и приготовление из синтезированных ими белков противовирусных сывороток. В будущем генная инженерия поможет человечеству избавиться от ряда наследственных заболеваний, посредством пересадки в зародыш недостающих или замены мутантных генов.

В настоящее время накапливаются клонированные гены человека, некоторых животных и растений, т.е. создаются банки генов.

2.6. Объединение чужеродных генов в одной клетке чревато опасными последствиями. Плазмиды способны соединяться в любых комбинациях, независимо от видовых и иммунологических барьеров. Конструирование новых разновидностей болезнетворных бактерий, устойчивых к лекарственным препаратам, может привести к возникновению серьезных эпидемий. В 1973 г. была проведена первая международная конференция по предупреждению опасных последствий генной инженерии. Опыты на время были запрещены. В 1975 г. Р. Кертис получил мутант кишечной палочки, нежизнеспособный в естественных условиях в связи с нарушением синтеза оболочки. Неопасная для человека и животных бактерия может жить только в лабораторных условиях, и опыты по генной инженерии были продолжены. Все исследования по генной инженерии проводятся в специальных лабораториях, строжайше изолированных от окружающей среды, с обязательным соблюдением определенных мер безопасности.

2.7. Будущее генной инженерии базируется на следующих достижениях молекулярной биологии:

возможность с помощью химических мутагенов вызывать специфические мутации в определенных генных локусах;
возможность переноса генетической информации неполовым путем у эукариот (трансформация или трансдукция), что позволит проводить генную терапию заболеваний;
замена дефектных генов с использованием ДНК вирусов в качестве переносчиков;
включение в геном человека искусственно синтезированных генов.

3. Перспективы генной терапии.

Необходимо различать 2 цели генной терапии – коррекцию генетических дефектов в соматических клетках и коррекцию их в гаметах или на самых ранних стадиях развития зиготы.

В настоящее время единственными клетками человека, которые можно использовать для переноса генов, являются клетки костного мозга или фибробласты. Эти клетки можно извлечь из организма, вырастить в культуре, перенести в них нужный ген и снова ввести пациенту. Наиболее перспективным является перенос нужных генов, связанный с использованием ретровирусов. Чтобы применять на практике методы генной инженерии, нужно быть уверенным в их безопасности. Например, человеческие онкогены по структуре отчасти гомологичны ретровирусам и при заражении клеток такими вирусами возможна их модификация и превращение в онкогены.

В экспериментах на мышах проведена генная терапия на уровне зиготы: в оплодотворенные яйцеклетки мышей карликовой линии вводили гены гормона роста крыс. При этом часть потомков (6 из 41) достигли гигантских размеров. Очевидно, что вновь встроенные гены не подвергаются нормальной регуляции, так как не удается внедрить их в места обычной локализации в хромосоме. Встраивание, происходит в случайном порядке и в некоторых опытах, это вызывало у мышей-реципиентов серьезные нарушения (мутации) работы нормальных генов в участках встраивания. По мнению большинства медицинских генетиков, метод генной терапии не следует в обозримом будущем применять к оплодотворенным клеткам человека, так как слишком велика опасность изменения генетической конституции человека.

Читайте также: