Основы генетической инжерии

Карагандинский Государственный  Медицинский Университет    

 

Кафедра Молекулярной биологии и мед. генетики

 

СРС

НА ТЕМУ: «Основы генетической инжерии».

                                                     

 

 

 

 

 Выполнили:  ____________________

Проверил: _____________________

 

 

 

Караганда 2010 год.

Содержание:

• Введение

• История развития и достигнутый уровень технологии

• Генная инженерия человека

• Генная инженерия человека

• Принципы лечения наследственных болезней.

• Профилактика наследственных болезней.

• Экспериментальные разработки в области генной инженерии

• Актуальность разработки новых вакцин

• Разработка ДНК-вакцин

• Заключение

• Использованная литература

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Генетическая инжене́рия (генная инженерия) — совокупность приёмов, методов и технологий получения рекомбинантных РНК и ДНК, выделения генов из организма (клеток), осуществления манипуляций с генами и введения их в другие организмы.

Генетическая инженерия не является наукой в широком смысле, но является инструментом биотехнологии, используя  методы таких биологических наук, как молекулярная и клеточная  биология, цитология, генетика, микробиология, вирусология.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

История развития и достигнутый  уровень технологии

Во второй половине XX века было сделано несколько важных открытий и изобретений, лежащих в основе генной инженерии. Успешно завершились многолетние попытки «прочитать» ту биологическую информацию, которая «записана» в генах. Эта работа была начата английским учёным Ф. Сенгером и американским учёным У. Гилбертом (Нобелевская премия по химии 1980 г.). Как известно, в генах содержится информация-инструкция для синтеза в организме молекул РНК и белков, в том числе ферментов. Чтобы заставить клетку синтезировать новые, необычные для неё вещества, надо чтобы в ней синтезировались соответствующие наборы ферментов. А для этого необходимо или целенаправленно изменить находящиеся в ней гены, или ввести в неё новые, ранее отсутствовавшие гены. Изменения генов в живых клетках — это мутации. Они происходят под действием, например, мутагенов — химических ядов или излучений. Но такие изменения нельзя контролировать или направлять. Поэтому учёные сосредоточили усилия на попытках разработать методы введения в клетку новых, совершенно определённых генов, нужных человеку.

Основные этапы решения генноинженерной задачи следующие:

1. Получение изолированного гена.

2. Введение гена в вектор для  переноса в организм.

3. Перенос вектора с геном  в модифицируемый организм.

4. Преобразование клеток организма.

5. Отбор генетически модифицированных  организмов (ГМО) и устранение  тех, которые не были успешно  модифицированы.

Процесс синтеза генов в настоящее  время разработан очень хорошо и  даже в значительной степени автоматизирован. Существуют специальные аппараты, снабжённые ЭВМ, в памяти которых закладывают  программы синтеза различных  нуклеотидных последовательностей. Такой  аппарат синтезирует отрезки  ДНК длиной до 100—120 азотистых оснований (олигонуклеотиды). Получила распространение техника, позволяющая использовать для синтеза ДНК, в том числе мутантной, полимеразную цепную реакцию. Термостабильный фермент, ДНК-полимераза, используется в ней для матричного синтеза ДНК, в качестве затравки которого применяют искусственно синтезированные кусочки нуклеиновой кислоты — олигонуклеотиды. Фермент обратная транскриптаза позволяет с использованием таких затравок (праймеров) синтезировать ДНК на матрице выделенной из клеток РНК. Синтезированная таким способом ДНК называется комплементарной (РНК) или кДНК. Изолированный, «химически чистый» ген может быть также получен из фаговой библиотеки. Так называется препарат бактериофага, в геном которого встроены случайные фрагменты из генома или кДНК, воспроизводимые фагом вместе со всей своей ДНК.

Чтобы встроить ген в вектор, используют ферменты — рестриктазы и лигазы, также являющиеся полезным инструментом генной инженерии. С помощью рестриктаз ген и вектор можно разрезать на кусочки. С помощью лигаз такие кусочки можно «склеивать», соединять в иной комбинации, конструируя новый ген или заключая его в вектор. За открытие рестриктаз Вернер Арбер, Даниел Натанс и Хамилтон Смит также были удостоены Нобелевской премии (1978 г.).

Техника введения генов в бактерии была разработана после того, как  Фредерик Гриффит открыл явление бактериальной трансформации. В основе этого явления лежит примитивный половой процесс, который у бактерий сопровождается обменом небольшими фрагментами нехромосомной ДНК, плазмидами. Плазмидные технологии легли в основу введения искусственных генов в бактериальные клетки.

Значительные трудности были связаны  с введением готового гена в наследственный аппарат клеток растений и животных. Однако в природе наблюдаются  случаи, когда чужеродная ДНК (вируса или бактериофага) включается в генетический аппарат клетки и с помощью  её обменных механизмов начинает синтезировать  «свой» белок. Учёные исследовали особенности  внедрения чужеродной ДНК и использовали как принцип введения генетического  материала в клетку. Такой процесс  получил название трансфекция.

Если модификации подвергаются одноклеточные организмы или  культуры клеток многоклеточных, то на этом этапе начинается клонирование, то есть отбор тех организмов и  их потомков (клонов), которые подверглись  модификации. Когда же поставлена задача получить многоклеточные организмы, то клетки с изменённым генотипом используют для вегетативного размножения растений или вводят в бластоцисты суррогатной матери, когда речь идёт о животных. В результате рождаются детеныши с изменённым или неизменным генотипом, среди которых отбирают и скрещивают между собой только те, которые проявляют ожидаемые изменения.

Применение в научных  исследованиях

Нокаут гена. Для изучения функции  того или иного гена может быть применен нокаут гена (gene knockout). Так называется техника удаления одного или большего количества генов, что позволяет исследовать последствия подобной мутации. Для нокаута синтезируют такой же ген или его фрагмент, изменённый так, чтобы продукт гена потерял свою функцию. Для получения нокаутных мышей полученную генно-инженерную конструкцию вводят в эмбриональные стволовые клетки, где конструкция подвергается соматической рекомбинации и замещает нормальный ген, а измененные клетки имплантируют в бластоцист суррогатной матери. У плодовой мушки дрозофилы мутации инициируют в большой популяции, в которой затем ищут потомство с нужной мутацией. Сходным способом получают нокаут у растений и микроорганизмов.

Искусственная экспрессия. Логичным дополнением нокаута является искусственная  экспрессия, то есть добавление в организм гена, которого у него ранее не было. Этот способ генной инженерии также можно использовать для исследования функции генов. В сущности процесс введения дополнительных генов таков же, как и при нокауте, но существующие гены не замещаются и не повреждаются.

Генная инженерия человека

В применении к человеку генная инженерия  могла бы применяться для лечения  наследственных болезней. Однако, технически, есть существенная разница между  лечением самого пациента и изменением генома его потомков.

Задача изменения генома взрослого  человека несколько сложнее, чем  выведение новых генноинженерных пород животных, т.к. в данном случае требуется изменить геном многочисленных клеток уже сформировавшегося организма, а не одной лишь яйцеклетки-зародыша. Для этого предлагается использовать вирусные частицы в качестве вектора. Вирусные частицы способны проникать в значительный процент клеток взрослого человека, встраивая в них свою наследственную информацию; возможно контролируемое размножение вирусных частиц в организме. При этом для уменьшения побочных эффектов ученые стараются избежать внедрения генноинженерных ДНК в клетки половых органов и тем самым избежать воздействия на ещё нерождённых потомков пациента. Также стоит отметить значительную критику этой технологии в СМИ: разработка генноинженерных вирусов воспринимается некоторыми слоями общественности как угроза для всего человечества.

С помощью генотерапии в будущем возможно улучшение генома человека. В настоящее время эффективные методы изменения генома человека находятся на стадии разработки и испытаний на приматах. Долгое время генетическая инженерия обезьян сталкивалась с серьезными трудностями, однако в 2009 году эксперименты увенчались успехом: в журнале Nature появилась публикация об успешном применении генноинженерных вирусных векторов для исцеления взрослого самца обезьяны от дальтонизма. В этом же году дал потомство первый генетически модифицированный примат (выращенный из модифицированной яйцеклетки) - игрунка обыкновенная.

Хотя и в небольшом масштабе, генная инженерия уже используется для того, чтобы дать шанс забеременеть женщинам с некоторыми разновидностями  бесплодия. Для этого используют яйцеклетки здоровой женщины. Ребёнок  в результате наследует генотип  от одного отца и двух матерей.Однако возможное создание более значительных изменений в геноме человека сталкивается с рядом серьёзных этических проблем.

В клинической диагностике наследственных болезней принимают во внимание их общие характерные особенности: наличие сходных случаев заболевания в семье и среди отдаленных кровных родственников; рецидивирующее, хроническое, длительно неподдающееся лечению течение заболевания; наличие редко встречающихся специфических симптомов или их сочетание; поражение многих систем и органов; наличие более 5 врожденных морфогенетических вариантов, называемых также микроаномалиями развития, признаками дисэмбриогенеза, признаками дисплазии развития, стигмами, которые выходят за нормальные вариации строения органа, но в отличие от пороков развития не нарушают функцию органа; врожденный характер заболевания.

Если при таком обследовании точный диагноз не поставлен и  остается подозрение на наследственное заболевание, то для диагностики  используют специальные генетические методы.

Подробное клинико-генеалогическое  обследование семьи позволяет иногда обнаружить закономерности наследования каких-то симптомов.

Принципы лечения наследственных болезней.

С учетом разнообразия типов мутаций, звеньев нарушенного обмена, вовлеченности  органов и систем не может быть одинаковых методов лечения для  разных форм наследственных болезней. В основе их лечения лежат применяемые  и при других болезнях направления  – симптоматическое, патогенетическое, этиологическое. Симптоматическое и  патогенетическое направления предусматривают  использование всех видов современного лечения: лекарственное, диетическое, хирургическое, рентгенорадиологическое, физиотерапевтическое. Полное выздоровление  при наследственных болезнях пока невозможно, но лечение их – не такая безнадежная  программа с терапевтической  точки зрения, как это казалось раньше.

Симптоматическое лечение назначают  практически при всех наследственных болезнях, а для многих форм оно  является единственным. К тому же оно  усиливает положительный эффект патогенетического лечения. Виды симптоматического  лечения разнообразны – от лекарственных  средств до хирургической коррекции.

Патогенетическое лечение направлено на коррекцию звеньев нарушенного  обмена веществ. Если ген не функционирует, необходимо возместить его продукт; если ген производит аномальный белок и образуются токсичные продукты, следует удалить их и возместить основную функцию гена; если ген производит много продукта, то избыток его удаляют.

Профилактика наследственных болезней.

Первичная профилактика наследственной патологии сводится к тому, чтобы  не допустить зачатия или рождения больного ребенка. Вторичная профилактика предусматривает коррекцию проявления болезни после рождения (нормокопирование). Степень экспрессии патологического гена можно уменьшить путем изменения среды (диета, лекарства). Особенно эффективен такой подход при болезнях с наследственным предрасположением.

Существуют следующие направления  профилактики наследственной патологии: 1) планирование семьи (первичная профилактика); 2) элиминация патологических эмбрионов  и плодов (первичная профилактика); 3) управление пенетрантностью и  экспрессивностью (вторичная профилактика); 4) охрана окружающей среды (первичная и вторичная профилактика).

Планирование семьи с генетической точки зрения осуществляется путем  медико-генетического консультирования. Этот вид высокоспециализированной медицинской помощи фактически должен быть доступен каждой семье до рождения больного ребенка (проспективное консультирование) и, конечно, обязателен после рождения больного ребенка (ретроспективное консультирование). Наличие больных в родословной также является прямым показанием к медико-генетическому консультированию. Врач-генетик совместно со специалистами клинической диагностики, учитывая результаты лабораторных генетических исследований (цитогенетических, биохимических, иммунологических, молекулярно-генетических), уточняет генетическую ситуацию в семье и дает заключение о риске повторного рождения больного ребенка и необходимости пренатальной диагностики.

Риск, не превышающий 10%, относится  к низким, при этом деторождение может не ограничиваться. Риск от 10 до 20% считается риском со средним значением. В этих случаях при планировании деторождения необходимо принимать во внимание тяжесть заболевания и продолжительность жизни ребенка. Чем тяжелее заболевание и чем больше продолжительность жизни больного ребенка, тем больше ограничений для повторного деторождения.