Мал. 320. Технологія створення рекомбінантної молекули ДНК: 1 - плазміда, виділена з клітини бактерії; 2 - молекула ДНК, фрагмент якої цікавить дослідників; 3 - дослідники за допомогою ферментів розшивають молекулу ДНК на фрагменти; 4 - за допомогою відповідного ферменту розшивають плазміду; 5 - з молекули ДНК за допомогою ферментів виділяють фрагмент; 6 - фрагмент молекули ДНК вставляють у плазміду (зверніть увагу, під час вшивання фрагмента ДНК використовують комплементарні кінці цієї молекули та плазміди; знайдіть їх на малюнку); 7 - плазміда із вбудованим фрагментом молекули ДНК

Мал. 321. Перенесення генів у бактеріальну клітину: 1 - людська клітина; 2 - молекула ДНК людської клітини; 3 - клітина бактерії; 4 - бактеріальна плазміда; 5 - ген, який кодує гормон інсулін; 6 - за допомогою ферменту бактеріальну плазміду «розшивають»; 7 - за допомогою іншого ферменту вводять ген гормону інсуліну в бактеріальну плазміду, отримуючи рекомбінантну ДНК; 8 - плазміду-переносник уводять у клітину бактерії; 9 - під час розмноження бактеріальної клітини відбувається клонування гену інсуліну; 10 - молекули синтезованого інсуліну

Об’єктами досліджень генної інженерії раніше були переважно прокаріоти. Наприклад, у геном бактерій введено гени пацюка і людини, які відповідають за синтез гормону інсуліну, необхідного хворим на цукровий діабет (мал. 321). Якщо гени еукаріотів просто ввести у прокаріотичну клітину, то досить складно змусити їх «працювати». Для цього потрібно, щоб ці гени потрапили під контроль регуляторних елементів клітини хазяїна.

Механізми регуляції активності генів у клітинах прокаріотів та еукаріотів відрізняються. Тому під час перенесення генів еукаріотів у клітини прокаріотів потрібно враховувати, що в клітинах еукаріотів кожний структурний ген має власний набір регуляторних елементів, які активуються специфічними сигналами в різні періоди клітинного циклу. Натомість структурні гени прокаріотних клітин об’єднані у групи, що мають спільні елементи регуляції.

У генетичній інженерії застосовують також метод РНК-інтерференцїі - систему контролю активності генів еукаріотичних клітин, що здійснюється за допомогою коротких (20-25 нуклеотидів) молекул РНК. Ці молекули можуть вступати у взаємодію з комплементарними послідовностями мРНК і посилювати або, навпаки, пригнічувати їхню активність. Явище РНК-інтерференції характерне для більшості еукаріотів, воно є своєрідним захисним механізмом від чужорідних генів (наприклад, генів вірусів), які можуть потрапляти в їхній геном. Невелика молекула РНК (мікроРНК) може взаємодіяти з комплементарною ділянкою відповідної мРНК як у ядрі (під час транскрипції), так і в цитоплазмі. У будь-якому разі пригнічується активність певного гена.

Практичне застосування результатів генної інженерії. РНК-інтерференцію можна використовувати в медичній практиці та селекції. Для цього створюють так звані антисенсорні молекули РНК (мал. 322). За складом вони відповідають послідовності нуклеотидів молекули мРНК певної клітини (сенсорна РНК). Припустімо, що така сенсорна РНК кодує шкідливі для організму або небажані для селекціонера білки. Тоді вчені синтезують і вводять у клітину молекулу антисенсорної РНК. Її нуклеотиди зв’язуються з нуклеотидами сенсорної РНК. Це блокує біосинтез білків, закодованих у молекулі сенсорної РНК. Наприклад, застосовуючи антисенсорні технології, можна послабити симптоми ВІЛ-інфекції, коли антисенсорні молекули РНК зв’язують комплементарну мРНК вірусу, що гальмує його розмноження.

Застосування антисенсорної технології має вже певні практичні результати й у селекції рослин. Наприклад, у помідорів є ферменти, які сприяють їхньому швидкому дозріванню. Але фермерам потрібно, щоб ці овочі достигали поступово, оскільки важко реалізувати значні обсяги продукції за короткий термін. Крім того, один з ферментів прискорює розщеплення полісахариду пектину в клітинних стінках, унаслідок чого плоди швидко псуються. Завдяки введенню в геном помідорів антисенсорних молекул РНК синтез відповідних ферментів гальмується.

Мал. 322. Методика застосування антисенсорної РНК: 1 - ділянка молекули ДНК, яка кодує небажані для організму білки; 2 - молекула мРНК, яка синтезується на цій ділянці молекули ДНК; 3 - антисенсорна молекула РНК; 4 - за принципом комплементарності антисенсорна молекула РНК сполучається із сенсорною; 5 - це блокує біосинтез небажаних для організму білків

Мал. 323. Хар Гобінд Корана (1922-2011) - відомий учений у галузі молекулярної біології, лауреат Нобелівської премії з фізіології та медицини 1968 р. за розшифрування генетичного коду (разом з Робертом Холлі та Маршаллом Ніренбергом)

Метод РНК-інтерференції застосовують для з’ясування деяких теоретичних питань під час досліджень з використанням культур клітин або живих організмів. За рахунок синтезованих малих дволанцюгових молекул РНК, які вибірково впливають на активність тих чи інших генів, можна з’ясувати функції цих генів. Молекула мікроРНК після введення пригнічує активність специфічного гена, і за результатами цього процесу вчені роблять висновки щодо його функцій.

Завдяки методам генної інженерії від генетично змінених бактеріальних клітин отримано білки інтерферони (захищають організми людини і тварин від вірусних захворювань, наприклад грипу, пригнічуючи розмноження вірусів), гормон росту (дає можливість лікувати деякі форми карликовості), вакцини проти збудників дифтерії, гепатиту В та ін. (див. мал. 320). Перелік медичних препаратів, отриманих за допомогою методів генної інженерії, щорічно зростає. Наприклад, з використанням різних штамів цвілевих грибів, актиноміцетів, бактерій отримують понад 4500 різних видів антибіотиків.

Слід зазначити, що будь-який ген (відповідний фрагмент ДНК) можна синтезувати хімічним шляхом. Уперше це зробив американський учений Х.Г. Корана (мал. 323), який 1970 р. синтезував ген тРНК дріжджів.

Результати генної інженерії важливі і для розвитку теоретичної біології. Завдяки їм було зроблено важливі відкриття про будову та функціонування генів, структуру геномів та ін. Для генної інженерії важливим є створення банків генів, тобто колекцій генів і геномів різних організмів.

Застосування методів генної інженерії в медицині. Пригадайте: перспективним напрямом у медичній генетиці є генна терапія - медична процедура, під час якої у хворого вилучають певні типи клітин (крові, епітелію шкіри або кишечнику та ін.), замінюють їхні дефектні алельні гени нормальними, а потім вводять в організм. Завдяки цьому в організмі хворої людини можуть синтезуватися білки, яких до цього не вистачало (див. мал. 189).

За певних онкологічних та інфекційних захворювань методами генної терапії можна пригнічувати активність генів, не притаманну нормальній клітині, або посилювати її (наприклад, для збільшення синтезу гемоглобіну у хворих на серпоподібноклітинну анемію; пригадайте, що це за захворювання).

Ще одним напрямом генної терапії, що ґрунтується на методиках визначення алелів, які зумовлюють певні спадкові захворювання або схильність до них, є молекулярна діагностика спадкових захворювань, про яку ви дізналися з § 37. Методи молекулярної діагностики дають можливість поставити діагноз задовго до появи симптомів захворювання і, відповідно, розпочати профілактику або лікування.

Цікаво знати