Генетика с основами селекции

Именно галактоза и служит индуктором, снимающим репрессор с оператора лактозного оперона. Это влечет за собой синтез пермеазы, пропускающей лактозу в цитоплазму, и в-галактозидазы, расщепляющей лактозу до мономеров. Когда вся лактоза оказывается расщепленной, уже ничто не может помешать репрессору снова присоединиться к оператору и прекратить экспрессию лактозного оперона. Этот механизм регуляции работы и сопряжения деятельности генов открыли французские исследователи Франсуа Жакоб и Жак Моно, получившие за это в 1965 году Нобелевскую премию в области физиологии и медицины. Позднее выяснилось, что по такому принципу работают очень многие гены, хотя у эукариот ситуация с регуляцией активности генов несколько сложнее.

Франсуа Жакоб Жак Моно

Перенос генов

Знание механизмов регуляции активности генов, а также методов выделения и других манипуляций с ДНК, сделало возможным возникновение области, называемой генетической инженерией. Благодаря генно-инженерным методам возможно встраивание любых генов в хромосомы интересующих организмов. Наиболее удобно вставлять чужеродные гены в ДНК бактерий. Сейчас очень многие лекарственные препараты, синтезируются бактериями, в которые встроены гены, ответственные за этот синтез. С бактериями проводить такие опыты достаточно удобно. Их можно трансформировать (поместить внутрь цитоплазмы чужеродную ДНК) при помощи плазмид -- автономно реплицирующихся кольцевых молекул ДНК, способных проникать через оболочки бактериальных клеток. Плазмиды обычно содержат гены устойчивости к антибиотикам. Благодаря этому можно точно сказать, попала такая плазмида в цитоплазму или нет. Для этого просто нужно вырастить бактерии на питательной среде, содержащей нужный антибиотик. В этом случае вырастут только те колонии, клетки которых содержат плазмиду с геном устойчивости, а соответственно, и с нужным исследователю геном.

Но не только бактерии подвергаются генным манипуляциям. Очень многие виды сельскохозяйственных животных и растений подвергаются генетической модификации с целью получения более благоприятных признаков. Потенциал таких исследований очень велик, поскольку потребности человечества растут, а ресурсы нашей планеты уменьшаются. Именно поэтому необходимо уделять особое внимание таким разработкам. С помощью генетической инженерии можно добиваться того, что растения и животные будут более морозоустойчивыми, более плодовитыми, меньше реагировать на паразитов.

Разумеется, такие эксперименты надо вести крайне осторожно, поскольку любая попытка изменить естественное течение природных событий может отозваться неблагоприятными последствиями. Внедрение чужеродных генов в геномы сельскохозяйственных растений могут повлиять на их безопасность для употребления, скажем, в пищу. Поэтому необходимо очень хорошо тестировать каждый генетически модифицированный сорт на его токсичность для человека и животных. Также генетически модифицированные организмы (ГМО) могут нанести вред окружающей среде, если не контролировать территории их посевов. Неизвестно, к чему может привести скрещивание между диким и генетически модифицированным сортом одного и того же растения. Впрочем, человечество давно занимается селекцией животных и растений, подвергая их ДНК очень серьезным изменениям, однако это не оказывается губительным для диких сортов и пород. Технологии не стоят на месте, так что рано или поздно генетически модифицированные продукты станут привычными для человека и не будут вызывать опасений.

Генная инженерия не могла бы развиться без знаний о строении генов и механизмов их работы. Но также этой дисциплине необходимы сведения о том, каким образом ДНК организована в клетках и какие еще последовательности, кроме собственно генов, в ней встречаются.

Геном состоит не только из генов

Геном -- это набор всех генов и других последовательностей ДНК данного вида живых организмов.

Вообще-то, это усредненное и абстрактное понятие, однако можно его употреблять применительно и к какой-то конкретной особи, имея в виду набор всех последовательностей ДНК в ее хромосомах. Что же находится в промежутке между генами? И зачем нужны такие последовательности ДНК?

Как писалось в уроке о строении ядра и хромосом, существует множество различных белков, упаковывающих хроматин в ядре. Эти белки приводят его в более или менее конденсированное состояние, прикрепляют участки хромосом к ядерной оболочке и выполняют другие структурные функции. Для того, чтобы эти функции могли осуществляться, необходимы участки ДНК, имеющие сродство к структурным белкам. Такие участки могут быть как внутри генов, так и в пространствах между ними.

В основном такие структурные последовательности расположены в неактивных участках генома -- в тех участках, где генов мало, и которые пребывают в конденсированном состоянии. К ним относятся в частности области центромер и теломер, к которым присоединяется множество структурных и других белков. Ведь центромеры и теломеры очень важны для функционирования хромосом. В ходе клеточного деления эти регионы отвечают за сохранность и правильную передачу генетического материала.

Но и это еще не все. Анализ геномов большинства эукариотических организмов показывает, что на долю структурных генов (генов, кодирующих непосредственно белки или РНК) приходится в среднем лишь 30 -- 40%! Зачем же нужны все остальные последовательности?

Конкретного ответа на этот вопрос не существует, поскольку такая «лишняя» ДНК может выполнять самые различные функции. Во-первых, это, конечно же, сайты связывания самых разных структурных белков. Во-вторых, это всякого рода гены, по каким-то причинам вышедшие из строя. Сюда же относятся и псевдогены, потерявшие свои промоторы. Но все равно, представляется нелогичным наличие в геноме такого «мусора», причем в количествах заметно больших, чем непосредственно необходимых для синтеза белков генов. Вполне возможно, что такое избыточное количество ДНК экранирует полезные участки генома от вредных внешних воздействий и мутагенов. Однако, вряд ли это более действенный способ, чем системы репарации -- ферментативные механизмы устранения повреждений в ДНК.

Сравнительно недавно было выяснено, что очень значительная часть генома практически у всех организмов представлена так называемыми мобильными генетическими элементами (см. информацию про Барбару МакКлинток из урока «История генетики»). Эти последовательности ДНК могут состоять из одного или нескольких генов. Основной особенностью МГЭ является способность к перемещению внутри генома. А некоторые МГЭ даже способны, подобно вирусам, выходить за пределы клетки и заражать других особей. Такие элементы могут оказывать самое различное влияние на геном клетки. Они могут провоцировать изменения в структуре генома, выпадения участков ДНК, их вставки, перевороты и прочее. Казалось бы, что такие последовательности вредны, однако, у подавляющего большинства организмов они сохраняются, при чем на их долю может приходиться до 90% всей ДНК (у человека в геноме на долю МГЭ приходится порядка 40%). Пока что нет четкого мнения о том, откуда взялись такие элементы. Большинство ученых склоняется к тому, что они происходят от вирусов, поскольку особенности их строения и жизнедеятельности очень схожи с вирусными. По всей видимости, МГЭ -- это потомки вирусов, когда-то давно заразивших геном и потерявших свою патогенную активность. Не исключено, что такие последовательности нужны для того, чтобы геномы организмов могли быстрее перестраиваться в ходе эволюции.

Размещено на Allbest.ru