ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНЖЕНЕРИИ. ВЗАИМОСВЯЗЬ БИОТЕХНОЛОГИИ И ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНЖЕНЕРИИ
В первой половине 70-х гг. XX в. развитие молекулярной биологии привело к возникновению новой экспериментальной техники, которая получила в нашей стране название «генная инженерия», а за рубежом — «работа с рекомбииаитными молекулами ДНК».
Генетическая инженерия - это методы получения рекомбинапт-иых ДНК, объединяющих последовательности разного происхождения. Ее подразделяют на генную, геномную и хромосомную (рис. 1).
ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ИНЖЕНЕРИЯ
I J *
Генная Геномная Хромосомная
инженерия инженерия инженерия
Половая Соматическая
гибридизация гибридизация
(клеточная инженерия)
Рис. 1. Структура генетической инженерии
Сущность генной инженерии состоит в целенаправленном использовании перестроек естественного генома, осуществляемых in vitro, для изменения генетических характеристик биообъектов.
Геномная инженерия заключается в целенаправленной перестройке генома акариот, прокариот и эукариот, вплоть до создания новых видов. При этом типе возможно получение половых или соматических гибридов.
В случае переноса изолированных хромосом от клетки-донора одного организма в клетку-реципиент говорят о хромосомной инженерии.
Однако такое подразделение генетической инженерии достаточно условно, поскольку в конечном счете результаты манипуляций с рекомбииаитными ДНК (рДНК) получают на клеточных культурах.
Биотехнология как пограничная научная дисциплина с 1972 г. перешла на новый генотехпический уровень, когда методы генной инженерии были перенесены из лабораторных условий в производственные. Современную науку нередко характеризуют как биотехнологию на основе рекомбинантпых ДНК — рДНК-биотехпология. Действительно, это основной путь, используемый для направленной модификации биообъектов в результате введения искусственно созданных генетических программ. Иногда понятия «генетическая инженерия» и «биотехнология» отождествляют, хотя, несомненно, генетическая инженерия представляет собой один из методов биотехнологии.
1.2. ИСТОРИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ И РАЗВИТИЯ
МЕТОДОВ РАБОТЫ
С РЕКОМБИНАНТНЫМИ ДНК
История возникновения и развития генетической инженерии неотделима от истории генетики. Именно фундаментальные и прикладные аспекты исследования основ наследственности позволили разработать приемы и методы генетической инженерии.
Так, в 1953 г. Уотсои и Крик сумели правильно интерпретировать данные реитгеиоструктурного анализа ДНК и на их основе построить модель пространственной ее структуры. Из анализа полученной схемы следовало, что после расплетания двойной спирали на каждой из полинуклеотидных цепей может быть построена комплементарно ей новая. В результате образуются две дочерние молекулы, не отличимые от материнской ДНК. Через пять лет Мезельсои и Сталь экспериментально подтвердили этот механизм, а несколько раньше (1956 г.) Корпберг открыл фермент ДНК-полимеразу.
Определение генетической роли ДНК потребовало решения другой фундаментальной задачи — проблемы кода, с помощью которого нуклеотидный текст переводится на язык аминокислот. Экспериментально общие свойства генетического кода были установлены Криком, Бренером и др. в конце 1950-х — начале 1960-х гг. Полностью он был расшифрован в 1961 — 1966 гг. усилиями лабораторий Нирен-берга, Очоа и Кораны.
Открытие основных компонентов систем трансляции и транскрипции послужило важным стимулом в изучении механизмов регуляции этих процессов. В 1961 г. Жакоб и Моно опубликовали схему регуляции синтеза белков на уровне транскрипции. Эти работы привели к открытию основных регуляторных генетических элементов — промоторов и терминаторов транскрипции.
В середине 60-х гг. начались исследования нуклеотидных последовательностей РНК и ДНК. В 1976 — 1978 гг. были созданы исключительно быстрые и эффективные методы секвенирования этих кислот (Максам, Гилберт, Сенгер и др.), которые позволили за короткое
время получить огромную информацию о первичной структуре генов, их регуляториых элементах, вирусных и рибосомиых РНК и т. д.
В 1972 г. Берг и его сотрудники выполнили первый гешю-ипже-перный эксперимент — объединили ДНК /?-плазмиды с ДНК мушки-дрозофилы и размножили рекомбииаит в кишечной палочке. В 1975 — 1978 гг. ученые овладели методами выделения из хромосомной и плазмидиой ДНК любых генов, исследования их структуры. В 1977 г. на фирме «Гепентек» (США) был осуществлен синтез человеческого соматотропного гормона — соматостатииа — клетками Е. coli; в 1978 г. там же был получен инсулин. В начале 80-х гг. также с помощью этой бактерии были выделены эидорфииы (эндогенные пептиды мозга с подобным морфину действием). В 1980 г. в компании «Биогеи» (США) впервые просиитезировали клетками Е. coli интерферон. Таким образом, расшифровка строения ДНК стала эпохальным событием не только в генетике, но и в биологии в целом, а также привела к становлению нового уникального метода и науки - генетической инженерии.
1.3. МОЛЕКУЛЯРНОЕ КЛОНИРОВАНИЕ
Работы в области генетической инженерии включают четыре этапа (стадии молекулярного клонирования):
1) получение нужного гена;
2) встраивание полученного гена в генетический элемент (вектор), способный к репликации;
3) введение гена, входящего в состав вектора, в организм-реципиент;
4) идентификация (скрининг и селекция) клеток, которые приобрели желаемый ген или гены.
Рассмотрим эти стадии последовательно. Но вначале остановимся на ферментах, используемых при конструировании.
В генетической инженерии для конструирования рекомбинант-иых ДНК используется множество различных ферментов. В клетке межнуклеотидные связи в ДНК и РНК расщепляются нуклеазами. В генетической инженерии используют эндонуклеазы рестрикции — рестриктазы. Эти ферменты распознают в молекулах ДНК определенные иуклеотидные последовательности из четырех, пяти или шести остатков и поэтому расщепляют эту кислоту на сравнительно небольшое число строго определенных фрагментов.
Еще в 1953 г. было обнаружено, что ДНК определенного штамма Е. coli, введенная в клетки другого штамма (например, ДНК штамма В в клетки штамма С), не проявляет, как правило, генетической активности, так как быстро расщепляется на мелкие фрагменты. В 1966 г. установлено, что это явление связано со специфической модификацией хозяйской ДНК: она содержит несколько метилированных основа-
пий, отсутствующих в ^модифицированной ДНК, причем метилирование (добавление к основанию метилыюй группы — СН3) происходит уже после завершения репликации. Таким образом, клетка-хозяин как бы метит свою ДНК по определенной последовательности, а чужую ДНК расщепляет, узнав, что эти же последовательности не мечены.
В 1969 г. были открыты специфический модифицирующий фермент, метилирующий ДНК, и рестриктаза, которая расщепляла неме-тилироваииую ДНК. Однако этот фермент не был высокоспецифи-чеп по отношению к определенной последовательности этой кислоты. Вскоре была выделена первая рестриктаза, которая расщепляла строго определенную последовательность ДНК.
Рестриктазы принято именовать по названию бактерий, из которых их выделяют. Так, название EcoRl свидетельствует о том, что этот фермент получен из Escherichia coli. Первая из трех букв аббре-виатуры соответствует первой букве названия рода (Е). Последующие две буквы являются начальными буквами видового названия (со). Далее буква (R) говорит о том, из какого штамма выделен фермент. Римская цифра соответствует порядковому номеру рестриктазы в ряду аналогичных ферментов, выделенных из этого микроорганизма (например, EcoRI, EcoRII). Каждый фермент узнает определенную 4 — 7-члепную последовательность в двухцепочечиой ДНК. Разрезание последней по этим сайтам приводит к образованию либо тупых (например, при действии рестриктазы Hpal), либо липких, т. е. перекрывающихся (например, BamHI), концов. Для конструирования гибридных молекул особенно удобны последние (см. ниже). Если допустить, что нуклеотиды распределены по молекуле ДНК совершенно случайным образом, можно рассчитать частоту встречаемости участка узнавания для данной рестриктазы. В каждой нуклеотидиой позиции молекулы ДНК с одинаковой вероятностью может оказаться один из 4 нуклеотидов (A, G, С, Т), поэтому фермент, узнающий четы-рехзвенную последовательность, будет находить одну мишень на 256 пар оснований (44). В то же время фермент, различающий шести-звеиную последовательность, определит специфический участок узнавания 1 раз на 4 096 пар оснований (46). Любой фрагмент ДНК обладает характерным расположением сайтов узнавания различных рестриктаз, что позволяет строить так называемые рестриктазные карты. Небольшие геномы, например геномы вирусов, митохондрий, хло-ропластов, или части крупных геномов могут быть таким образом расщеплены на определенное число рестрикционных фрагментов.
Поясним это на примере модели. Пусть наш геном состоит из следующих генов: abcdefgh.Под действием рестриктазы I он расщепляется на фрагменты abc defgh,а под действием рестриктазы II — на abed efgn.
Уже из сравнения этих двух наборов фрагментов можно установить их последовательность в геноме. Легко понять, что компонент b
расположен после а, так как оба они содержатся в одном общем фрагменте abc,а компонент dрасположен после с, так как оба они появляются в одном фрагменте bed, и т. д. В дальнейшем эти фрагменты можно выделить, чтобы определить, каким генам и (или) регу-ляторным участкам они соответствуют. Их также можно использовать, чтобы синтезировать гетерологичные рекомбинантные молекулы, встроив, например, какой-либо фрагмент в плазмиду и размножив его с помощью Е, coli. Получение коротких фрагментов ДНК необходимо и для установления последовательности оснований в более крупных фрагментах.
Рестриктазы бывают мелко- и крупнощепящими. Первые узнают тетрануклеотид и вносят в молекулы гораздо больше разрывов, чем вторые, распознающие последовательность из шести нуклеотидных пар. Это связано с тем, что вероятность встречаемости определенной последовательности из четырех нуклеотидов гораздо выше, чем из шести. Например, в ДНК бактериофага 17, состоящей из 40 000 пар оснований, отсутствует последовательность, узнаваемая рестриктазой RI из Е. coli. Рестриктазы по-разному расщепляют ДНК: одни вносят разрывы по оси симметрии узнаваемой последовательности, а другие — со сдвигом с образованием «ступеньки». В первом случае образуются так называемые тупые концы, а во втором — липкие, т. е. фрагменты имеют на своих концах однонитевые взаимно комплементарные участки длиной в четыре нуклеотида. Последние удобны для создания рекомбинантных ДНК. К первым относится рестриктаза EcoRI из Е. coli, действующая по следующему механизму:
EcoRI
GAATTC
CTTAAG
t
G
СТТАА
v------ v------ '
липкий конец
ААТТС G
V------------- у------------- ,
липкий конец
Ко вторым — рестриктаза Alul из Arthrobacter luteus, действующая по следующему механизму:
Alul
AGCT TCGA
AG ТС |
+ |
Ст
GA
--- у... - V
тупые концы
Для создания рекомбинантных ДНК используют также РНК-зависимые ДНК-полимеразы (обратные транскриптазы, ревертазы), синтезирующие ДНК на матрице мРНК. Применяются и ферменты, соединяющие концы фрагментов ДНК, т. е. ДНК-лигазы, выделяемые из Е. coli и фага Т4: Для изменения структуры концов фрагментов ДНК используют нуклеазу BamI, экзонуклеазу III из E.coli, нуклеазу SI из Aspergillus orysae. Субстратом для таких ферментов являются однотяжевые РНК и ДНК, двутяжевые ДНК, которые распадаются до 5'-фосфорилированных олигонуклеотидов и нуклеозид-5'-фосфа-тов. Для приготовления гибридизационных проб используется ДНК-полимераза I из Е. coli.
Ковалентное соединение (в дальнейшем мы будем называть термином «лигирование») липких концов фрагментов ДНК — процедура технически несложная, однако в этом случае могут возникать проблемы. Так, липкие концы вектора могут лигироваться сами на себя без включения клонируемого фрагмента. Кроме того, может произойти отжиг таких концов двух различных фрагментов, что приведет к образованию гетерогенной вставки. Не все интересующие исследователя участки ДНК содержат удобно расположенные сайты узнавания для рестриктаз, дающих липкие концы. Для преодоления этих трудностей иногда используют рестриктазы, образующие тупые концы, после чего с помощью специфического фермента (терминальной трансфе-разы) генерируют новые концы. Так, присоединение к З'-концам вектора гомополимерной цепочки, состоящей из dG, а к З'-концам клонируемого фрагмента ДНК — цепочки polyd(C) обеспечивает исключительно межмолекулярный отжиг. В ходе этой процедуры, получившей название «присоединение гомополимерного хвоста»,образуется также сайт для рестриктазы Smal, что обеспечивает возможность последующего вырезания клонированного фрагмента. Иногда к тупоконечной ДНК присоединяют синтетические олигонуклеотидные линкеры, содержащие участки узнавания для определенных рестриктаз. С использованием ДНК-лигазы бактериофага Т4 можно проводить непосредственное лигирование тупых концов.
Существует три способа конструирования рекомбинантных ДНК. Первый — объединение ДНК-фрагментов по липким концам. Как мы уже говорили, некоторые рестриктазы способны образовывать их при специфическом разрезании ДНК. Используя это, необходимый ген выделяют из нее при помощи какой-либо рестриктазы. Ею же обрабатывают ту ДНК, к которой хотят присоединить ген. В результате как на выделенном гене, так и на другой ДНК образуются комплементарные липкие концы (рис. 2) (по кн.: Сельскохозяйственная биотехнология, 1998).
Второй способ — коннекторный. Существуют рестриктазы, образующие при специфическом расщеплении ДНК тупые концы. Для гена, полученного таким образом, необходимо пришить липкие концы. Это достигается приливанием, например, смеси аденозина или тимина.
![]() |
ДНК человека |
Рестриктаза EcoRI |
Кольцевая плазмидная ДНК |
Линейная молекула
плазмидной ДНК
с липкими концами
Отжиг |
Рестриктаза EcoRI
■ .М1ШШШ...
ТТ АЛ
Фрагмент ДНК человека,
полученный в результате
расщепления той же рестриктазой и
имеющий те же липкие концы, что и
расщепленная ДНК плазмиды
X l Т Т
Молекула плазмидной ДНК со
встроенным фрагментом ДНК человека
(рекомбинантная молекула ДНК)
Рис. 2. Использование рестриктаз для конструирования рекомбинантных или химерных молекул ДНК. Введенная обратно в бактериальную клетку (при трансформации) плазмида реплицируется, а вместе с ней реплицируется и последовательность-вставка. Поскольку воссоединение липких концов реконструирует сайт узнавания ре-стриктазы, клонированный фрагмент может быть легко выделен из рекомбинантной плазмиды при помощи той же рестриктазы. Если при этом использовать смесь всех фрагментов, образованных в результате расщепления тотальной ДНК человека одной и той же эндонуклеазои, то при помощи клонирующих плазмид можно получить около миллиона различных рекомбинантных молекул ДНК, каждая из которых дает начало индивидуальному бактериальному клону
Третий способ, линкерный, предполагает, что при необходимости тупые концы могут быть превращены в липкие. Для этого к первым присоединяют двухцепочечные последовательности (линкеры) с участками узнавания рестриктазы, дающей липкие концы.