ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ПРОЕКТЫ СОЗДАНИЯ ТРАНСГЕННЫХ КУЛЬТУР РАСТЕНИЙ И ПОРОД ЖИВОТНЫХ. Трансгенные растения и животные
Трансгенные животные | Наука и жизнь
Успехи генетики, молекулярной биологии и других биологических наук дали ученым возможность работать с изолированными генами высших организмов. Можно выделять гены, выяснять некоторые механизмы их работы и конструировать новые, гибридные гены, не существующие в природе. Такие гены можно вводить в клетки бактерий и высших организмов, и они способны встраиваться в наследственный аппарат клеток. А дальше можно получить животных, содержащих в каждой клетке чужеродные гены. В конце 70-х и начале 80-х годов в некоторых лабораториях мира и Советского Союза были начаты работы по введению чужеродных генов в оплодотворенные яйцеклетки мыши как наиболее доступного и генетически изученного объекта. Животные, содержащие чужеродные гены, получили название трансгенных. В настоящее время уже имеются некоторые успехи в получении трансгенных мышей и их использовании для решения тех или иных биологических задач. Об этих работах рассказывают научные сотрудники Л. С. Попов (Институт молекулярной генетики АН СССР) и Л. Г Эшкинд (ВНИИбиотехнологии), ведущие исследования в этой области.
Нормальная и карликовая мыши.
Нормальная мышь рядом с трансгенной мышью, в геном которой ввели гормон роста.
Схема получения трансгенных мышей. В изолированную хирургическим путем уже оплодотворенную яйцеклетку вводятся гены. Эту клетку подсаживают ложнобеременной, то есть предварительно спаренной со стерильным самцом, самке. Она становится приемной матерью. Из выведенных искусственно яйцеклеток рождается потомство. Поскольку не все мышата получают чужеродный ген, необходим молекулярный анализ их генома для подлинного выявления трансгенности.
Действие трансгена. Возможные сочетания половых клеток (яйцеклеток и сперматозоидов) при оплодотворении приводят к образованию четырех типов зигот. Первый тип — когда в зиготе трансген располагается в альфа-1-коллагеновом гене хромосом, полученных от матери и от отца. В этом случае эмбрион нежизнеспособен. Во втором и третьем типах трансген находится в альфа-1-коллагеновом гене хромосом только матери или только отца. В четвертом типе хромосомы не содержат трансгена. В последних трех случаях эмбрионы жизнеспособны.
‹
›
В начале 80-х годов группа ученых США и Швеции впервые получила мышей-великанов. Это был результат введения гена гормона роста крысы в оплодотворенные яйцеклетки мыши. И выросшая из этого зародыша мышь-великан оказалась почти в два раза больше обычной. Но главный результат опыта заключался в том, что трансгенная мышь росла в два раза быстрее, чем обычная.
Вы можете спросить: зачем нам ускорять рост мышей? Вот если бы куры или коровы росли в короткий срок, то это было бы более полезным для людей.
Действительно, неплохо было бы научиться разводить в сокращенный срок полезных для человека птиц и животных. И эта возможность теперь в перспективе имеется. Более того, уже есть и первые успехи в получении трансгенных животных — таких, как корова, овца и свинья, хотя эти работы пока очень дороги.
Каким же образом удалось ученым ускорить рост мышей? Одним из основных стимуляторов роста и деления клеток у животных и человека является гормон роста. Образуется он обычно в гипофизе. Ученые решили проверить, как будет вести себя чужеродный гормон роста в организме мыши. Структурный ген этого гормона ввели в яйцеклетку. Получили потомство, и оказалось, что гормон крысы вырабатывался в сердце, почках, печени и кишечнике, но не в гипофизе. При этом количество гормона в крови повышалось в несколько сотен раз по сравнению с нормальными мышами. Очевидно, поэтому некоторые мыши и вырастали великанами.
Такие же манипуляции были проделаны с более отдаленным родственником — геном гормона роста человека. Мыши и в этом случае росли ускоренно. Более того, обнаружился удивительный факт: несмотря на то, что гормон роста человека содержит почти в три раза больше аминокислот, чем гормон роста крысы, это не влияло на усиленный рост мышей — оба гормона действовали с равной силой.
Конечно, здесь еще много сложностей: как обычно, ответы на первые вопросы ставят новые вопросы, и ответа на них пока нет. Но хочется обратить внимание читателей на то, что в крови трансгенных мышей резко увеличивается количество гормона роста. Это открывает возможность использовать трансгенных животных в качестве биологической фабрики гормона роста человека, то есть появляется выход в биотехнологию, способную конкурировать с обычной микробиологической фабрикой. При этом надо помнить, что мышь — всего лишь объект исследования, а сырьем для биологической фабрики может служить кровь более крупных трансгенных животных (овцы, свиньи, кролика и др.).
Одной из главных проблем биологии, решение которой, пожалуй, не обойдется без использования трансгенных животных, является проблема дифференцировки клеток. В зародыше организма все клетки поначалу одинаковы, но в ходе развития они становятся клетками мышц, костей, нервов, сердца, печени и других органов и тканей. Иными словами, в ходе развития организма клетки получают специальность. Но как именно это происходит, науке пока неизвестно. Проблема между тем громадная и чрезвычайно важная, ибо речь идет о том, чтобы понять суть эмбрионального развития, когда из одной клетки развивается столь сложный организм, как тело млекопитающих и особенно человека.
Еще в начале нашего века эмбриологи экспериментаторы пытались выяснить это с помощью микроманипуляций, разрушая некоторые эмбриональные клетки гонкими иглами или пересаживая участки ткани от одного раннего эмбриона другому. Подобные методы сохранили свое значение и поныне при изучении пространственной организации клеток, обусловливающей возникновение отдельных органов или тканей. Однако эти методы, как и обычные биохимические методы с использованием очищенных молекул в пробирке, не позволяют сделать прямых выводов относительно молекулярных основ регуляции работы генов,
Для решения проблемы дифференцировки ученые часто используют культуры клеток и тканей. Но ответ на вопрос, какие молекулярные механизмы заставляют клетки дифференцироваться, и на этой модели не получен. Ее недостаток состоит в том, что культивируемые клетки изолированы от организма. У них нет контакта с клетками других тканей, а такой контакт (взаимодействие клеток, обмен сигналами) необходим, ибо он индуцирует дифференцировку и эмбриональное развитие. Вывод напрашивается сам: изучать молекулярные механизмы дифференцировки клеток и раннего эмбрионального развития надо на живом организме. Именно поэтому большие надежды возлагаются на живые модели — трансгенных животных.
Но как эту модель использовать? Напомним, что для получения трансгенных животных нужны гены. Однако для конкретной цели нужны, очевидно, соответствующие ей гены. Какие же из них связаны с дифференцировкой?
В последние годы ученым удалось выявить некоторые гены-регуляторы, которые принимают участие в реализации программы развития организма. Их называют хроногенами, так как, по мнению ученых, они играют основную роль в определении момента начала дифференцирован клеток данного организма.
Наиболее интересные наблюдения были получены при изучении генов, контролирующих пространственную организацию эмбриона плодовой мушки дрозофилы. Оказалось, что многие гены содержат один и тот же сегмент ДНК, названный гомеобоксом, и все они обладают способностью регулировать активность групп других генов. Заметим, что в настоящее время гомеобокс выделен из ДНК многих организмов — от червей до человека.
Нельзя умолчать об онкогенах, которые обнаружены в нормальных клетках большинства организмов (от дрожжей до млекопитающих). Ученые предполагают, что онкогены не только порождают опухоли, но и участвуют в дифференцировке эмбриональных клеток. Основанием такого предположения послужили некоторые факты. Так, например, было выяснено, что для поддержания роста и деления клеток раннего эмбриона необходимы факторы роста. Но у раннего эмбриона еще нет тканей, способных вырабатывать эти факторы, поэтому можно думать, что каждая клетка раннего эмбриона производит их для самой себя и, возможно, для своего ближайшего окружения. Факторы роста представляют собой белки, кодирующиеся генами. Недавно стало известно, что один из факторов роста кодирует онкоген СИС. Отсюда напрашивается заключение, что онкогены участвуют в раннем развитии эмбриона (более подробно эта проблема изложена в статье В. Дильмана, «Наука и жизнь» №11, 1985).
Итак, ученые имеют сейчас в своем «хозяйстве» ряд замечательных последовательностей ДНК в виде хроногенов, сегмента гомеобокса и онкогенов, которые причастны к дифференцировке клеток в эмбриональном развитии. Их можно вводить в геном будущих трансгенных животных и изучать их действие во время роста ранних эмбрионов. По-видимому, это дает ключ, который позволит проникнуть в тайны молекулярных механизмов развития высших животных.
Кроме того, введение изолированного онкогена в геном здорового животного дает и другую возможность — изучать отдельно стадии образования опухолей и наследственную предрасположенность к их возникновению. Иными словами, создавать модели течения опухолевых заболеваний. Ведь механизм их образования — процесс очень сложный, многоступенчатый и включает много событий в клетке и организме. Понятно, что для того чтобы разобраться в нем, нужно вычленить отдельные его ступени. Многих ступеней мы еще не знаем. Живая модель — трансгенные животные открывают здесь небывалые перспективы. Поиск механизмов образования опухолей уже ведется и вселяет надежды на успех.
Создание экспериментальных моделей течения болезней открывает новые направления и перед практической медициной, в частности лечением наследственных заболеваний. В настоящее время насчитывается около трех тысяч наследственных заболеваний. Некоторые из них могут быть следствием нарушения сложных регуляторных систем организма. Большинство же связано с нехваткой ферментов. В качестве примера можно назвать фенилкетонурию, врожденную непереносимость лактозы, подагру, гемолитическую анемию и многие другие.
Терапия таких заболеваний, казалось бы, проста — ввел в организм недостающий фермент и жди улучшения. Однако действует фермент недолго, и приходится делать больному систематические инъекции. Можно использовать ограничение пищевого рациона, чтобы снизить в организме концентрацию вредных веществ. Эти способы довольно успешно используются, но справедливости ради следует сказать, что излечение редко бывает полным. Поэтому в повестку дня встала так называемая генная терапии, то есть методы введения в больные клетки недостающего гена или замены дефектного гена нормальным.
Дело это оказалось непростым. Прежде всего необходимо иметь нормальный ген. Сейчас их уже научились получать. Для доставки нормального гена в дефектные клетки требуется «повозка». В этой роли ученые решили использовать вирусы. Хотя эта идея не нова, она до последних нескольких лет оставалась нереализованной. Наиболее пригодными оказались опухолевые вирусы, геном которых состоит из РНК (ретровирусы). Эти вирусы отличаются тем, что не убивают клетки подобно другим вирусам. С помощью генной инженерии нужно было превратить исходный вирус в вирус-повозку, функция которого заключалась бы только в доставке нужного гена в клетку и встраивании его в клеточные хромосомы. Молекулярные биологи из Массачусетского технологического института (США) сконструировали такой вирус. Затем «нагрузили» его бактериальным геном устойчивости к антибиотику и ввели эту нагруженную повозку в кроветворные клетки костного мозга мыши. Анализ показал, что все типы клеток крови экспериментальной мыши приобрели этот перенесенный бактериальный ген.
Теоретически этот метод уже можно применить к генотерапии наследственных заболеваний крови людей. Однако технические проблемы, связанные с регулированием работы перенесенных генов, не позволяют пока это делать. Исследования продолжаются.
Другой способ генотерапии связан с половыми клетками. Группа исследователей использовала его совсем недавно. В качестве объекта они взяли карликовую мышь, которая может служить моделью наследственного заболевания человека. У такой мыши отставание в росте заметно с пятидневного возраста, а взрослые животные достигают приблизительно половины нормальной мыши. Поскольку введение гена гормона роста восстанавливало рост, то ученые решили исправить карликовость с помощью генной терапии. Сначала они вводили в яйцеклетку карликовой мыши чистые гены гормона роста крысы или человека. Рост не восстанавливался. Когда же они ввели в яйцеклетку дополнительно ген-регулятор, то карликовая мышь вырастала до нормальной. Казалось бы, такой успех можно перенести на лечение подобного заболевания у людей. Но придется разочаровать читателей: делать этого пока нельзя. Причин несколько. Одна из них связана с низкой эффективностью техники гемотерапии. Во-первых, только один процент яйцеклеток с введенным чужим геном развивается в мышь, у которой усилено действие гормона роста. Во-вторых, пока практически невозможно предвидеть, в какое место встроится чужеродная молекула ДНК, и потому-то невозможно гарантированно заменить поврежденный ген нормальным. Более того, вводимый ген может попасть «не туда» и разрушить какой-нибудь нормальный ген, то есть даст результат, обратный желаемому.
Таким образом, эти примеры показывают, что использовать предлагаемые способы для лечения больных людей еще невозможно. Чтобы вмешиваться в наследственность человека, по крайней мере необходимо знать полностью генотип человека. Наука пока далека от этого. Однако первые успехи на этом пути, хотя и очень малые, воодушевляют ученых на дальнейшие поиски.
Наконец, еще одна область возможного использования трансгенных животных — это повышение количества и качества продукции сельскохозяйственных животных. Так, сам по себе ускоренный рост трансгенных животных, видимо, позволяет увеличить выход мяса. Но, кроме того, есть ведь и возможность (пока теоретическая, конечно) ввести, скажем, в корову ген необходимого продукта и заставить его работать в молочных железах, а продукты гена выделять потом из молока. Со временем люди научатся получать таким образом лекарственные препараты — интерферон, инсулин, гормон роста и другие нужные вещества. Словом, сельскохозяйственные животные смогут нести те или иные конструкции генов и превратятся в живые фабрики биологически и химически важных пептидов и белков.
Все это звучит сейчас слишком фантастично, однако фантазия нередко переходит в реальность. И кто знает, может быть, для людей будущего станут обычными названия специализированных хозяйств — например, совхоз «сахарных» коров, то есть трансгенных коров, молоко которых содержит большое количество сахара.
С другой стороны, техника получения трансгенных животных, видимо, может помочь быстрее переносить полезные свойства одной породы к другой, то есть ускорить выведение новых высокопродуктивных пород животных. Это откроет невиданные горизонты перед сельскохозяйственной генетикой и селекцией.
Как видим, можно констатировать, что биология вступила в период реального воплощения заветной мечты человечества— направленного изменения высших организмов. Не за горами будущее — конструирование геномов животных и растений.
Однако тут обычно возникает очень серьезный вопрос, интересующий, кстати, многих наших читателей: не опасны ли генноинженерные манипуляции с ДНК для человека, животных и растений? Ведь в результате таких манипуляций могут появиться организмы с совершенно новыми генетическими качествами, ранее не существовавшими на Земле. И если они выйдут каким-либо образом из-под контроля, распространятся в природе, то это может вызвать нежелательные изменения в генетическом аппарате земных организмов — врожденные пороки, уродства и т. п.
Поэтому еще на заре генной инженерии, в середине 70-х годов, группа исследователей обратилась к ученым всего мира с призывом наложить мораторий на генетические эксперименты в наиболее опасных для человека направлениях исследований. А затем, в феврале 1975 года, в США была созвана международная конференция, на которой присутствовало 140 ученых из 17 стран, в том числе и из Советского Союза. Работе этой конференции стала первым в истории мировой науки примером принятия мер предосторожности до, а не после того, как возникла опасность: на ней был объявлен запрет ни проведение особо опасных экспериментов до разработки соответствующих мер предосторожности.
После конференции исследования по генной инженерии были несколько переориентированы. В качестве объектов для генетических манипуляций были взяты только те микроорганизмы, которые неспособны населять кишечный тракт человека, не выживают в половых клетках и легко уничтожаются обычными моющими средствами.
Затем в нашей стране (так же, как и в других странах) были приняты правила безопасности работ с рекомбинантными (составными) молекулами ДНК. У нас эти правила согласованы с Министерством здравоохранения СССР и ВЦСПС и являются обязательными для всех, имеющих дело с генной инженерией.
В чем же заключаются эти правила? Они, в частности, включают некоторые общие требования безопасности: работу необходимо проводить в специальной одежде и специальными инструментами, не разрешается курить, хранить и принимать пищу в рабочих помещениях, отходы, содержащие рекомбинантные молекулы, помещаются в специальную посуду и обеззараживаются и т. д.
Кроме того, применяются меры физической и биологической защиты различных степеней — в зависимости от величины предполагаемой опасности эксперимента. Так, средний уровень физической защиты (ФЗ) требует проводить эксперименты в лаборатории, имеющей специальные инженерные конструкции, герметичное помещение и защитное оборудование. Воздух из лаборатории выводится по самостоятельным воздуходувам после очистки на фильтрах. Работа с открытыми сосудами, в которых содержится материал с носителем рекомбинантных ДНК, обязательно проводится в боксах с пониженным давлением. Лабораторную одежду нельзя носить вне лаборатории ФЗ, она должна обеззараживаться до отправки в прачечную. Перед выходом из лаборатории персонал обязан мыть руки с использованием дезинфицирующих средств и т. д.
Высший уровень физической Защиты (Ф4) применяется к работам с микроорганизмами, потенциально опасными для человека, животных и растений. Эксперименты могут проводиться только в помещениях особой конструкции — в отдельном здании или в полностью изолированном от других помещений отсеке общего здания. Инженерные особенности такой лаборатории: монолитные стены, полы и потолки, в которых все технические отверстия (для воздушных каналов, электропроводки, трубопроводных коммуникаций) герметизируются. Лаборатория должна иметь отдельную вентиляционную систему, поддерживающую отрицательное давление воздуха до выхода его в атмосферу, воздушные шлюзы, через которые могут безопасно доставляться в помещение предметы оборудования, посуда, животные и материалы. Вход в лабораторию разрешается только тем лицам, чье присутствие предусмотрено программой исследования. Работы должны выполняться в боксах с вытяжной вентиляцией и фильтрами. Доступ в эти боксы возможен лишь из рабочих помещений лаборатории.
Важным элементом правил являются биологические меры защиты, разрешающие использовать только такие микроорганизмы, биологические свойства которых исключают их распространение и выживание в окружающей среде. В частности, категорически запрещается использовать для получения рекомбинантных молекул ДНК бактерии и вирусы, патогенные для человека, сельскохозяйственных животных и растений. Тем более не разрешается преднамеренное введение в рекомбинантные молекулы генов, заведомо опасных для здоровья и благополучия человека, и преднамеренное распространение новых рекомбинантных молекул в окружающей среде. (Здесь перечислена, понятно, только часть защитных мер. При желании с ними можно подробней познакомиться в книге «Итоги науки и техники. Молекулярная биология», том 12, часть II, Москва, 1980 г., стр. 199.)
Надо сказать, что со временем — по мере накопления знаний и развития техники генной инженерии — потенциальная опасность подобных экспериментов оказалась преувеличенной, и сейчас правила работы с рекомбинантными молекулами пересматриваются с целью снятия некоторых ограничений. Это позволит расширить возможности исследований — при прежнем, максимальном уровне езопасности.
www.nkj.ru
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ПРОЕКТЫ СОЗДАНИЯ ТРАНСГЕННЫХ КУЛЬТУР РАСТЕНИЙ И ПОРОД ЖИВОТНЫХ
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ПРОЕКТЫ СОЗДАНИЯ ТРАНСГЕННЫХ КУЛЬТУР РАСТЕНИЙ И ПОРОД ЖИВОТНЫХ
К настоящему времени уже созданы трансгенные формы риса, содержащего бета-каротин, провитамин А. Названный «золотым рисом», он проходит испытания в разных странах. В результате длительных экспериментов в растения риса были введены два гена от желтых нарциссов и один бактериальный ген. Дефицит по витамину А, влияющий на зрение (ночная слепота), встречается главным образом среди бедного городского населения стран, имеющих неполноценную диету. Чаще всего авитаминозом A страдают дети. Рыбий жир долгое время был главным лекарством до открытия провитаминных свойств растительного каротина. Трансгенный рис, однако, пока не вошел в практику как коммерческая культура. Главным препятствием является необходимость для мелких фермеров Азии покупать семена риса для каждого посевного сезона. В Юго-Восточной Азии урожаи риса собирают нередко три раза в год. Удовлетворение потребностей в каротине значительно проще осуществляется за счет многих источников: салата, шпината, моркови и других овощей и фруктов. В недалеком будущем, когда истечет срок эксклюзивного права на продажу «золотого риса», он, очевидно, будет выращиваться более широко.
Главной формой генетически модифицированных культур пока остаются кукуруза, соя и рапс, в геномы которых были встроены гены устойчивости к гербицидам, также заимствованные у бактерий. Поскольку введение в практику сельского хозяйства гербицидов более 50 лет назад привело со временем и к появлению устойчивых к ним сорняков, то фермерам приходилось увеличивать концентрации гербицидов, что при достижении определенного уровня оказывало вредное влияние и на возделываемое растение. Увеличивая устойчивость культурных растений к гербицидам, фермеры могли проводить гербицидную прополку, применяя более высокие концентрации химических средств защиты растений. Критики отмечают, что это лишь временное решение проблемы, так как оно ведет к более высоким примесям гербицидов в урожае и к неизбежному появлению высокой устойчивости к гербицидам и сорняков – за счет отбора и межвидовой гибридизации. Генетически модифицированные на устойчивость к гербицидам культуры составляют в мировом земледелии более 60% всех возделываемых трансгенных растений. Еще около 20% трансгенных растений приходится на устойчивые к паразитам и столько же – на культуры с генами и того и другого типа. Во всех случаях это технологические трансгенные сорта. Они повышают производительность земледелия, но не влияют позитивно на качество пищевых продуктов. Скорее даже наоборот.
Улучшение качества продовольственных продуктов пока находится лишь в стадии интересных проектов. Среди них можно отметить попытку ускорить рост ценных пород рыб на рыбных фермах путем введения в геномы рыб дополнительных генов гормонов роста. В экспериментах уже были получены быстро растущие лососевые и около 20 других видов трансгенных рыб. В 2006 г. были экспериментально получены клонированные свиньи с генами из червей, которые добавляли к насыщенному свиному жиру ненасыщенные Омега-3 жирные кислоты [10].
Поделитесь на страничкеСледующая глава >
med.wikireading.ru
8. Дайте определение понятиям «трансгенные растения» и «трансгенные животные».
Это гибриды с измененным набором генов. Изменения производят для того, чтобы придать растению некоторые полезные свойства: устойчивость к вредителям, морозостойкость, урожайность, калорийность и тому подобное. Так, в Китае еще в 1992 году выращивали табак, который «не боялся» вредных насекомых. Но начало массовому производству модифицированных продуктов положили США, когда в 1994 году появились помидоры, которые не портились при перевозке. И пошло-поехало — генно-модифицированные продукты стали возникать один за другим. В США трансгенная соя вытеснила обыкновенную, появилась трансгенная кукуруза. Разработали вид картофеля, устойчивый к колорадскому жуку, внедрив в него ген бактерии.
Итак, что отличает трансгенные продукты? Помидоры — внешний глянцевый безупречный вид и бесконечная длительность хранения. Бананы — лечебные свойства (вырабатывают вакцину против полиомиелита). Картофель — «необыкновенная» устойчивость к вредителям и повышенная урожайность. Хлеб с добавлением генетически модифицированных ферментов долго не черствеет. Табак приобретает устойчивость к ядохимикатам.
ТРАНСГЕ́ННЫЕ ЖИВО́ТНЫЕ, экспериментально полученные животные, содержащие во всех клетках своего организма дополнительную интегрированную с хромосомами и экспрессирующуюся чужеродную ДНК (трансген), которая передается по наследству по законам Менделя. Изредка трансген может реплицироваться и передаваться по наследству как экстрахромосомный автономно реплицирующийся фрагмент ДНК. Термин «трансгеноз» был предложен в 1973 для обозначения переноса генов одних организмов в клетки организмов других видов, в том числе далеких в эволюционном отношении. Получение трансгенных животных осуществляется с помощью переноса клонированных генов (ДНК) в ядра оплодотворенных яйцеклеток (зигот) или эмбриональных стволовых (плюрипотентных) клеток. Затем в репродуктивные органы реципиентной самки пересаживают модифицированные зиготы или яйцеклетки, у которых собственное ядро заменено на модифицированное ядро эмбриональных стволовых клеток, либо бластоцисты (эмбрионы), содержащие чужеродную ДНК эмбриональных стволовых клеток. Имеются отдельные сообщения об использовании спермиев для создания трансгенных животных, однако этот прием пока не получил широкого распространения.
9. Каковы возможности генетической инженерии в охране среды обитания?
Излечивая больного, предотвращая распространение инфекционных заболеваний, врач использует могучее влияние среды на живой организм. Лечить – это значит так изменить среду, чтобы эти изменения шли на пользу больному, помогая ему бороться с болезнью. В борьбе с инфекциями наука достигла поразительных результатов. Лечение наследственных или врожденных заболеваний – дело гораздо более трудное. В случае врожденной болезни инфицирующий возбудитель отсутствует. Нет врага, которого следует уничтожить. Излечимы ли наследственные болезни, возможна ли их профилактика? Неужели действительно нет способов воздействовать извне на наследственный недуг, снять с помощью лекарства, диеты, лечебной гимнастики, хирургическим путем, наконец, симптомы заболевания? Благодаря достижениям медицинской цитологии и биологической химии ученые начали понимать, в чем же заключается разница между здоровым организмом и организмом, отягощенным наследственной болезнью. Разработаны способы ранней диагностики многих наследственных заболеваний и найдены методы их лечения. По отношению к некоторым болезням открылась возможность предупредить рождение больных детей или предотвратить у них развитие болезни. Успех таился на стыке наук. Стена, отделяющая ученых-биологов и врачей-практиков, рухнула. Этот процесс осуществляется одновременно во всем мире. Интерес к законам наследственности со стороны врачей значительно возрос. Наследственно обусловленные болезни человека привлекают к себе в настоящее время огромное внимание ученых всех стран. Создаются специальные научные институты для их изучения, периодически созываются съезды по медицинской генетике, издаются специальные журналы. Эта новая глава медицины развивается быстрым темпом. Современному человечеству удалось в какой-то мере справиться с рядом болезней, таких, как многие инфекции (туберкулез, оспа, тифы, сифилис, малярия и др.) или как многие хирургические заболевания, вследствие чего значительно увеличилась средняя продолжительность жизни современных людей; в то же время в отношении наследственных болезней до последнего времени почти ничего еще не было сделано. Понятен тот огромный интерес, который в настоящее время привлекают к себе эти заболевания. Совершенствование методов биохимического исследования позволило выделить группу заболеваний почек, в развитии которых ведущую роль играют наследственные факторы. Клинический диагноз этих заболеваний весьма затруднен, т.к. по течению они напоминают нефрит или пиелонефрит; их предложено называть нефритоподобными заболеваниями почек (нефропатиями). Важная роль при этом принадлежит тщательному изучению семейного анамнеза, составлению и анализу родословной. Данные лабораторных исследований характеризуются отсутствием свойственных нефриту признаков – нет отеков или повышения кровяного давления. Успехи в ранней диагностике наследственных заболеваний обмена веществ в период, когда имеются лишь небольшие нарушения и заболевание еще не привело к необратимым морфологическим изменениям, способствуют разработке мер лечебного воздействия. Чаще всего это назначение диеты с исключением продуктов, содержащих вещества, которые не переносятся больным. С этой целью создаются также специальные пищевые продукты. Современные достижения медицинской генетики позволяют предупредить многие из болезней путем научно обоснованных мероприятий. Эти вопросы решаются в медико-генетической консультации. Генетическую основу своего здоровья нужно учитывать именно для того, чтобы не болеть. Американские медики разработали тест под шуточным названием «Доживете ли до семидесяти?». Ученые собрали большой статистический материал и сделали выводы относительно влияния некоторых особенностей образа жизни и наследственности человека на его долголетие. Оказалось, физический труд в отличие от умственного прибавляет несколько лет жизни. Спорт также увеличивает ее продолжительность. Установлено, что лица, занимающиеся спортом 5 раз в неделю, живут на четыре года дольше; 2-3 раза в неделю – на два года дольше, чем те, кто игнорирует физические нагрузки или обращается к спорту лишь эпизодически. Как видим, занятия физической культурой благотворно влияют на человека, и людям, занятым умственным трудом, необходимо компенсировать ограничение двигательной активности. Но вернемся к тесту. Длительный сон (свыше 10 часов в сутки) отрицательно влияет на продолжительность жизни, сокращая ее на 4 года по сравнению с 7-8-часовым сном, что также объясняется снижением двигательной активности, а значит, и ухудшением кровообращения. Тест показал, что агрессивные люди вспышками гнева укорачивают свой век, тогда как спокойные – продляют его благодаря собственной уравновешенности. Разница в продолжительности жизни этих двух категорий лиц составляет шесть лет. На продолжительность жизни отрицательно влияют курение, употребление спиртного, наркотиков, избыточный вес, положительно влияет образование. Среднее удлиняет ее на год, а высшее – на два. Образование развивает интеллект и культуру, которые влияют на всю организацию жизни человека. Статистика свидетельствует, что долголетие бабушек и дедушек (срок жизни не менее 85 лет одного из них или не менее 80 – двух) повышает шансы внуков на продолжительность жизни, превышающую среднестатистическую. Скоропостижная смерть одного из этих прародителей в возрасте до 50 лет от сосудистых или онкологических заболеваний говорит о необходимости профилактики названных болезней у их потомков. Сейчас стало модно рисовать генеалогическое древо своей семьи. Вполне естественен интерес людей к своей родословной, к тому, чем занимались их прабабушки и прадедушки, участниками каких исторических событий они были, как жили. Полезно поинтересоваться и здоровьем родственников старшего поколения, так как предрасположенность ко многим заболеваниям передается по наследству. Например, гипертония, диабет, рак. Другой пример: медики считают алкоголизм болезнью, предупреждая, что склонность к злоупотреблению спиртным может наследоваться. Что это значит? Говоря бытовым языком, человек быстрее втягивается в пьянство, быстрее спивается. Это обусловлено особенностями биохимических процессов в его организме. Однако предрасположенность и предопределенность – понятия разные. Реализация генетической программы зависит от целого комплекса условий. В рассматриваемом случае она корректируется соответствующим образом жизни.
studfiles.net
Применение трансгенных животных
Важной вехой в истории применения трансгенных животных стал 2006 г., когда Европейское медицинское агентство (the European Medicines Agency (EMEA)) выдало первое разрешение на коммерческое использование первого рекомбинантного белка из молока трансгенного животного. Им стал рекомбинантный антитромбин III с коммерческим названием ATryn, который предназначен для профилактического лечения пациентов с врожденной антитромбиновой недостаточностью.
Научные модели. Сложность генома млекопитающих, длительные периоды взросления и размножения, трудности изучения большого числа индивидуальных животных с учетом варьирования признаков делают генетический анализ этих систем затруднительным. Трансгенная технология несет в себе большие возможности, в первую очередь, для фундаментальных исследований принципов функционирования геномов и отдельных генов. Например, линии нокаутных мышей, гомозиготных по направленно-инактивированным генам, позволяют изучать детерминируемые данными генами свойства на уровне организма. Регулируемые системы экспрессии трансгенов дают возможность исследовать тонкие механизмы воздействия продуктов того или иного гена на физиологию и эмбриональное развитие животных.
Модельные системы для изучения болезней человека. Используя целых животных, можно моделировать возникновение патологии, исследовать ее развитие и способы лечения. И хотя данные, полученные на трансгенных моделях, не всегда можно экстраполировать на человека в медицинских аспектах, они позволяют выявить ключевые моменты этиологии сложной болезни, ее молекулярные основы и подсказать пути лечения. В настоящее время на мышах смоделированы такие заболевания человека, как СПИД, болезнь Альцгеймера, артрит, мышечная дистрофия, гипертония, образование опухолей, нейродегенеративные нарушения, дисфункция эндокринной системы, сердечно-сосудистые заболевания и многие другие. Получена дрозофила с болезнью Паркинсона.
Источники для производства фармацевтических белков. Существующие методы получения в культурах клеток рекомбинантных человеческих протеинов для медицинских целей имеют ряд существенных недостатков и жестких законодательных ограничений. Одной из особенностей таких медицинских препаратов является их крайне высокая цена, обусловленная в том числе высокой стоимостью клеточного культивирования. Преодолевая эти ограничения, большое количество белков можно получать из молока трансгенных животных, несущих человеческие гены, ответственные за выработку определенного протеина, под контролем промоторов, специфичных для молочных желез. Предполагается, что выход может составить до 35 г белка из одного литра молока при относительно невысокой стоимости производства и очистки.
Человеческие белки, секретируемые в молоко, гликозилируются соответствующим образом и обладают активностью, близкой к нативным белкам человека. Экспрессия трансгенов в клетках молочных желез овец и коз не оказывала никаких побочных действий ни на самок в период лактации, ни на вскармливаемое потомство. В настоящее время многочисленные белки получены в больших количествах эффективной секрецией в молоко трансгенных мышей, кроликов, овец, свиней, коз и коров. Часть рекомбинантных белковых препаратов из молока трансгенных животных уже готовится к выходу на рынок (табл. 2.3). Первым препаратом из молока стал ATryn (человеческий антитромбин III), который в 2006 г. после 3-й фазы клинических испытаний был зарегистрирован как лекарство в Европейском союзе.
Таблица 2.3. Терапевтические белки из молока трансгенных животных, готовящиеся к выпуску на фармацевтический рынок
Успешная регистрация препарата ATryn продемонстрировала правильность такого подхода к продукции терапевтических белков и облегчила путь на рынок другим рекомбинантным препаратам из молока трансгенных животных, а также стимулировала научную и коммерческую активность в данной области. Другим источником продукции рекомбинантных белков является кровь трансгенных животных. Получены трансгенные бычки, продуцирующие биспецифичные антитела человека в своей крови. Эти антитела после очистки из сыворотки были очень стабильны и соответствующим образом стимулировали Т-клеточное уничтожение раковых клеток.
Получение трансгенных цыплят открыло возможность использовать яйца, содержащие немало запасных белков для накопления нужных рекомбинантных белков - активных компонентов лекарственных средств. В этом случае белки можно получать в больших количествах, и их производство будет дешевым, так как сырьем для этого является всего лишь птичий корм. В институте Рослин, где была клонирована Долли, разработаны 2 линии трансгенных кур с перспективой на коммерческое применение.
Одна из линий несет яйца с антителами miR24 в яичном белке, с помощью которых можно будет лечить злокачественную меланому - форму рака кожи, другая производит человеческий интерферон в-1a, который может быть использован для остановки внутриклеточного размножения вирусов. Разрешение на клинические испытания препарата против рака на основе куриных яиц уже получено. В настоящее время продолжаются работы по увеличению выхода рекомбинантных белков, как на стадии производства, так и на стадии очистки.
Чтобы обезопасить рекомбинантные продукты, руководство, разработанное в США и Европейском союзе для получения ГМ-животных, требует контролировать здоровье трансгенных животных, проверять корректность полученных трансгенных конструкций, характеризовать очищенный рекомбинантный белок, а также провести новую трансгенную линию через несколько поколений.
В России также ведутся разработки в области получения трансгенных животных для биопродукции важных белков.
Например, существует государственная программа, нацеленная на создание фармакологического производства человеческого лактоферрина путем секреции в молоко коз. Сильные антибактериальные свойства лактоферрина, содержащегося в грудном молоке, защищают новорожденных детей от инфекций, поэтому получение молока с лактоферрином в больших количествах может стать новой отраслью производства детского питания.
Трансгенные животные как источники ксенотрансплантантов для человека. Хронический дефицит человеческих органов для трансплантации вынуждает ученых искать другие альтернативные источники тканей. Только в США в базе данных United Network for Organ Sharing на 2006 г. зарегистрировано более 80 тыс. чел., нуждающихся в пересадке органов.
Решением этой проблемы могла бы быть пересадка человеку органов животных. Так, например, органы свиньи подходят человеку по своему строению, размеру и многим биохимическим показателям, но такие пересадки невозможны, так как эти органы будут немедленно отторгнуты иммунной системой пациента.
В настоящее время ряд исследовательских центров работают над выведением генетически модифицированных свиней, органы которых могут быть использованы для трансплантации. Необходимыми условиями для успешной ксенотрансплантации являются: 1) преодоление иммунологических барьеров (гистосовместимость), 2) недопущение переноса патогенов от донорного животного человеку, 3) анатомическая и физиологическая совместимость донорного органа с человеческим.
С помощью соматического ядерного переноса получены животные, у которых супрессирован пока первый иммунологический барьер - реакция отторжения немедленного типа (гиперактивное отторжение). ГМ-свиньи синтезировали человеческие регуляторы комплемента (RCAs) и/или не имели генов 1,3-a-galactosyltransferase (a-gal), кодирующих фермент, ответственный за выработку на поверхности клеток свиньи углеводных антигенов, которые приводят к гиперактивному отторжению.
Первые эксперименты по пересадке свиных трансгенных почек и сердца нечеловекообразным приматам (павианы) с иммунной супрессией показали отсутствие реакции отторжения немедленного типа, но выживаемость пересаженных органов составляла всего 2-6 месяцев. Работы по получению свиней-ксенотрансплантеров с множественными трансгенами, критичными для преодоления других иммунологических барьеров, продолжаются.
Недавние исследования показали, что риск передачи человеку свиных ретровирусов чрезвычайно мал, это открывает путь для доклинических испытаний свиных ксенотрансплантантов. Кроме того, этот факт позволяет использовать свиной эндогенный ретровирус (PERV) в качестве вектора для эффективной доставки экзогенной ДНК в клетки. После селекции такие клетки могут стать родоначальниками трансгенных свиней-ксенотрансплантеров, полученных соматическим ядерным переносом. Также в рамках программы получения свиней для трансплантации несколько компаний занимаются выведением пород свиней с размерами органов, близкими к человеческим.
Следует отметить, что, несмотря на многолетние исследования, пересадка человеку органов свиньи все еще является отдаленным проектом.
Трансгенные животные, служащие источником пищи, еще очень далеки от коммерческого использования, хотя очень много различных вариантов уже создано. Например, в геном свиней удалось встроить несколько ускоряющих рост генов, которые также оказывают влияние на качество мяса, делая его более постным и нежным. Эта работа начата более 10 лет назад, однако в силу определенных негативных морфологических и физиологических изменений, наблюдавшихся у животных, этот вариант не был коммерциализован. Скорее всего, негативные изменения в данных трансгенных свиньях были обусловлены несовершенством использованной генетической конструкции, так что работы в этом направлении продолжаются.
Предложено также большое количество модификаций молока крупного рогатого скота, заключающихся в добавлении новых белков либо в манипуляциях над эндогенными протеинами. Например, были созданы животные, продуцирующие молоко для детского питания, по своему составу максимально приближенное к материнскому молоку человека. Другой пример -недавно ученые из Новой Зеландии получили коров с повышенным содержанием в молоке казеина.
Использование такого молока должно повысить продуктивность сыроваренного производства. Еще несколько групп исследователей работают над снижением содержания в молоке лактозы. Конечной целью является создание молока, пригодного для употребления в пищу людьми с лактозной непереносимостью.
Пока ближе всех на пути к коммерциализации находятся фитазные трансгенные свиньи (экосвиньи, enviropigs), целью создания которых было резкое уменьшение навозного загрязнения окружающей среды. Эта линия несет ген бактериальной фитазы под транскрипционным контролем тканеспецифичного промотора слюнных желез.
Секретируемая рекомбинантная фитаза позволяет свиньям расщеплять растительные фитаты (инозитол гексафосфат, ИГФ - наиболее распространенная нерастворимая форма органического фосфора почвы), что уменьшает выход загрязняющих окружающую среду фекальных токсичных соединений фосфора (до 75 %). Ожидается выход этих свиней на рынок в следующие несколько лет.
С учетом предполагаемого повышения потребности в рыбопродуктах ГМ-рыба может приобрести большое значение как продукт питания. Наиболее вероятно, что первым ГМ-животным на продовольственном рынке станет быстрорастущая семга (Salmo salar), в геном которой встроен ген гормона роста чавычи (Oncorhynchus tschawytscha). Такая семга растет в 3-4 раза быстрее нетрансгенных аналогов, что значительно уменьшает время выращивания. Еще, по крайней мере, 8 искусственно выращиваемых видов рыбы генетически модифицированы с целью ускорения роста. Ген гормона роста в порядке опыта встроили в геномы таких рыб, как белый амур, радужная форель, тиляпия и сом. Во всех случаях трансгены выделяли из геномов рыб других видов.
Трансгенные домашние любимцы. Пока что самым успешным случаем коммерциализации трансгенных животных можно считать декоративных рыбок. Трансгенная аквариумная рисовая рыбка Oryzias latipes, яркая зеленая окраска которой обусловлена встроенным геном зеленого флуоресцентного белка из медуз, продвигается на рынок тайваньской компанией Taikong.
Под торговой маркой GloFish в США продаются (5 дол./шт.) разноцветные рыбки-зебры Danio rerio, окрашенные флуоресцентными белками кораллов. При соответствующем освещении красные, зеленые и желтые рыбки начинают ярко флуоресцировать, хотя природная окраска D. rerio скромного серого цвета. В Европе, Канаде и Австралии трансгенные рыбки запрещены, видимо, вследствие общих предубеждений против трансгенных животных. Дискуссии сторонников и противников трансгенных животных продолжаются.
Н.А. Воинов, Т.Г. Волова
medbe.ru
Трансгенные животные - это... Что такое Трансгенные животные?
Трансгенные животные
Трансгенные животные - это экспериментально полученные животные, содержащие во всех клетках своего организма дополнительную интегрированную с хромосомами чужеродную ДНК (трансген), которая передается по наследству.
Термин «трансгеноз» был предложен в 1973 г. для обозначения переноса генов одних организмов в клетки организмов других видов, в том числе далеких в эволюционном отношении. Получение трансгенных животных осуществляется с помощью переноса клонированных генов (ДНК) в ядра оплодотворенных яйцеклеток (зигот) или эмбриональных стволовых (плюрипотентных) клеток. Затем в репродуктивные органы реципиентной (получающей) самки пересаживают модифицированные зиготы или яйцеклетки, у которых собственное ядро заменено на модифицированное ядро эмбриональных стволовых клеток, либо бластоцисты (эмбрионы), содержащие чужеродную ДНК эмбриональных стволовых клеток.
Первые трансгенные животные были получены в 1974 г. в Кембридже (США) Рудольфом Янишем (Rudolph Jaenisch) в результате инъекции в эмбрион мыши ДНК вируса обезьяны SV40. В 1980 г. американским ученым Жоржем Гордоном (Gordon) с соавторами было предложено использовать для создания трансгенных животных микроинъекцию ДНК в пронуклеус (ядро в яйцеклетке) зиготы. Именно этот подход положил начало широкому распространению технологии получения трансгенных животных. В России первые трансгенные животные появились в 1982 г. С помощью микроинъекций в пронуклеус зиготы в 1985 г. в США были получены первые трансгенные сельскохозяйственные животные (кролик, овца, свинья).
Все имеющиеся методы переноса генов (трансгеноз) пока еще не очень эффективны. Для получения одного трансгенного животного в среднем необходимы микроинъекции ДНК в 40 зигот мышей, 90 зигот козы, 100 зигот свиньи, 110 зигот овцы и в 1600 зигот коровы.
При трансгенозе могут возникать неожиданные проблемы. Одна из первых работ по генетической транформации животных проводились путем встраивания генов гормона роста. Перенос гена гормона роста крысы мышам увеличивал рост мышей в 2 раза. Эксперименты по трансгенозу генов гормона роста быка кроликам также увенчались успехом. А вот аналогичные эксперименты по модификации крупного рогатого скота привели к увеличению прироста всего на 10 20%.
Технология создания трансгенных животных является одной из наиболее бурно развивающихся биотехнологий в последние 10 лет. Трансгенные животные широко используются как для решения большого числа теоретических задач, так и в практических целях для биомедицины и сельского хозяйства.
Уже получены трансгенные коровы и козы, в молоке которых содержится человеческий белок лактоферрин.
Американская корпорация Genzyme Transgenics проводит исследования с целью создания трансгенного крупного рогатого скота, содержащего в молоке человеческий альбумин. Альбумин используется в терапии для поддержания осмотического давления в крови. Genzyme Transgenics занимается разработкой аналогичных методов получения человеческого гормона роста и β интерферона.
В Англии созданы трансгенные овцы, молоко которых содержит фактор свертывания крови.
В России получены свиньи, несущие ген соматотропина. Они не отличались по темпам роста от нормальных животных, но изменение обмена веществ сказалось на содержании жира. Такие трансгенные свиньи были созданы для изучения цепочки биохимических превращений гормона, а побочным эффектом явилось укрепление иммунной системы.
Трансгенных животных получают и для целей ксенотрансплантации (пересадки органов человеку). Одним из излюбленных доноров органов являются свиньи, так как имеется анатомическое сходство органов и сходство иммунологических свойств. Реакции отторжения при трансплантации имеют сложный механизм. Одним из сигналов для атаки организма на чужой орган являются белки, локализованные на внешней поверхности мембраны. У трансгенных свиней эти белки заменены на человеческие.
Существует множество трансгенных животных, моделирующих различные заболевания человека (рак, атеросклероз, ожирение и др.).
В практических целях трансгенные животные используются различными зарубежными фирмами как коммерческие биореакторы, обеспечивающие производство разнообразных медицинских препаратов (антибиотиков, факторов свертываемости крови и др.). Кроме того, перенос новых генов позволяет получать трансгенных животных, отличающихся повышенными продуктивными свойствами (например, усиление роста шерсти у овец, понижение содержания жировой ткани у свиней, изменение свойств молока) или устойчивостью к различным заболеваниям, вызываемым вирусами и другими патогенами. В настоящее время человечество уже использует множество продуктов, получаемых с помощью трансгенных животных: медицинские препараты, органы, пища.
Энциклопедия ньюсмейкеров. 2012.
news_enc.academic.ru
