Химери і трансгенні організми

Химерні та транс генні організми

Генетика по праву може вважатися однієї з найважливіших областей біології. Протягом тисячоліть людина користувалася генетичними методами для поліпшення корисних властивостей оброблюваних рослин і виведення високопродуктивних порід домашніх тварин, не маючи представлення про механізми, що лежать в основі цих методів. Судячи з різноманітними археологічними даними, вже 6000 років тому люди розуміли, що деякі фізичні ознаки можуть передаватися від одного покоління до іншого. Відбираючи визначені організми з природних популяцій і схрещуючи їх між собою, людина створювала поліпшені сорти рослин і породи тварин, що володіли потрібними йому властивостями.
Однак лише на початку XX століття вчені стали усвідомлювати повною мірою важливість законів спадковості і її механізмів. Хоча успіхи мікроскопії дозволили установити, що спадкоємні ознаки передаються з покоління в покоління через сперматозоїди і яйцеклітини, залишалося неясним, яким чином дрібні частки протоплазми можуть нести в собі "задатки" тієї величезної кількості ознак, з яких складається кожен окремий організм.
Пам'ятною датою у біології стала весна 1953 року. Дослідники американець Д. Уотсон і англієць Ф. Лемент розшифрували «свята святих» спадковості - її генетичний код. Саме з тієї пори слово «ДНК» - дезоксирибонуклеїнова кислота стало відома не тільки вузькому колу вчених, але і кожній освіченій людині в усьому світі. Бурхливий віковий період її розвитку ознаменований в останні роки розшифровкою нуклеотидної сполуки «молекули життя» ДНК у десятків видів вірусів, бактерій, грибів і багатоклітинних організмів. На повний хід йде секвенируванння (установлення порядку чергування нуклеотидів) ДНК хромосом важливих культурних рослин рису, кукурудзи, пшениці. На початку 2001 року було урочисто оповіщенно про принципову розшифровку в людини усього геному ДНК, що входить до складу всіх 23 пар хромосом клітинного ядра. Ці біотехнологічні досягнення порівнюють з виходом у космос.

Дезоксирибонуклеїнова кислота, чи ДНК, уперше була виділена з клітинних ядер. Тому її і назвали нуклеїновою (грецькою nucleus - ядро). ДНК складається з ланцюжка нуклеотидов з чотирма різними азотистими основами: аденіном "(А), гуаніном (G), цитозином (3) і тимином (Т). ДНК майже завжди існує у виді подвійної спіралі, тобто вона являє собою два нуклеотидні ланцюги, що складають пари. Разом їх утримує так названа комплементарна пара основ. "Комплементарність" означає, що коли А и Т у двох ланцюгах ДНК розташовані один проти одного, між ними спонтанно утвориться зв'язок. Аналогічно комплементарну пару утворять G і С. У клітинах людини міститься 46 хромосом. Довжина генома людини (усіх ланцюжків ДНК у хромосомах) може досягати двох метрів і складається з трьох мільярдів нуклеотидиих пара. 

Ген - це одиниця спадковості. Він являє собою частину молекули ДНК і містить закодовану інформацію про амінокислотну послідовність одного чи білка рибонуклеиновой кислоти (РНК).
Повідомлення вчених про те, що їм удалося розшифрувати структуру цієї великої молекули, об'єднало в ціле розрізнені до того результати досліджень у біохімії, мікробіології і генетики, що проводяться протягом півстоліття. В останні десятиліття людство спостерігає за стрімким прогресом генетики. Ця наука давно стала найважливішим надбанням людства, до якого звернені надії мільйонів людей.
Генетика оформилася як наука після перевідкриття законів Менделя.

Грегор Мендель народився в Моравії в 1822 р. У 1843 р. він пішов у монастир августинців у Брюніє (нині Брно, Чехословаччина), де прийняв духовний сан. Пізніше він відправився у Відень, де провів два роки, вивчаючи в університеті природну історію і математику, після чого в 1853 р. повернувся до монастиря. Такий вибір предметів, безсумнівно, уплинув на його наступні роботи зі ознак спадкування у гороху. Будучи у Відні, Мендель зацікавився процесом гібридизації рослин і, зокрема, різними типами гібридних нащадків і їхніх статистичних співвідношень. Ці проблеми і з'явилися предметом наукових досліджень Менделя, що він почав улітку 1856 р.
Успіхи, досягнуті Менделем, частково обумовлені удалим вибором об'єкта для експерименту-гороху городнього (Pisum sativum). Мендель упевнився, що в порівнянні з іншими цей вид має наступні переваги:
1) мається багато сортів, що чітко розрізняються по ряду ознак;
2) рослини легко вирощувати;
3) репродуктивні органи цілком прикриті пелюстками, так що рослина звичайно самозапилюється; тому його сорти розмножуються в чистоті, тобто їхні ознаки з покоління в покоління залишаються незмінними;
4) можливо штучне схрещування сортів, і воно дає цілком плідних гібридів.

З 34 сортів гороху Мендель відібрав 22 сорту, що володіють чітко вираженими розходженнями по ряду ознак, і використовував їх у своїх дослідах зі схрещуванням. Менделя цікавили сім головних ознак: висота стебла, форма насінь, колір насіння, форма і колір плодів, розташування і колір квіток.
І до Менделя багато вчених проводили подібні експерименти на рослинах, але жоден з них не одержав таких точних і докладних даних; крім того, вони не змогли пояснити свої результати з погляду механізму спадковості. Моменти, що забезпечили Менделю успіх, варто визнати необхідними умовами проведення всякого наукового дослідження і прийняти їх як зразок. Умови ці можна сформулювати в такий спосіб:
1) проведення попередніх досліджень для ознайомлення з експериментальним об'єктом;
2) ретельне планування всіх експериментів, для того щоб усякий раз увага була зосереджена на одній змінної, що спрощує спостереження;
3) найсуворіше дотримання всіх методик, для того щоб виключити можливість уведення перемінних, що спотворюють результати (подробиці див. нижче);
4) точна реєстрація всіх експериментів і запис всіх отриманих результатів;
5) одержання достатньої кількості даних, щоб їх можна було вважати статистично достовірними.

Як писав Мендель, «вірогідність і корисність всякого експерименту визначаються придатністю даного матеріалу для тих цілей, у яких він використовується».
Слід, однак, відзначити, що у виборі експериментального об'єкта Менделю де в чому просто пощастило: у спадкуванні відібраних їм ознак не було ряду більш складних особливостей, відкритих пізніше, таких як неповне домінування, залежність більш ніж від однієї пари генів, зчеплення генів.

Короткий виклад суті гіпотез Менделя

1. Кожна ознака даного організму контролюється парою аллелей.
2. Якщо організм містить два різних аллеля для даної ознаки, то о0дин з них (домінантний) може виявлятися, цілком придушуючи прояв іншої ознаки (рецесивного).
3. При мейозі кожна пара аллелей розділяється (розщеплюється) і кожна гамета одержує по одному з кожної пари аллелей (принцип розщеплення).
4. При утворенні чоловічих і жіночих гамет у кожну з них може потрапити будь-який аллель з однієї пари разом з будь-яким іншим з іншої пари (принцип незалежного розподілу).
5. Кожен аллель передається з покоління в покоління як дискретна незмінна одиниця.

Кожен організм успадковує по одному аллелю (для кожної ознаки) від кожної з батьківських особей.
Однак лише на початку XX в. учені стали усвідомлювати повною мірою важливість законів спадковості і її механізмів. Хоча успіхи мікроскопії дозволили установити, що спадкоємні ознаки передаються з покоління в покоління через сперматозоїди і яйцеклітини, залишалося невідомим, яким чином дрібні частки протоплазми можуть нести в собі «задатки» тієї величезної кількості ознак, з яких складається кожен окремий організм.

Розділ 1. Предмет генетики
1.1. Сучасні уявлення про ген

Подібно тому, що у фізиці елементарними одиницями речовини є атоми, у генетиці елементарними дискретними одиницями спадковості і мінливості є гени. Хромосома будь-якого організму, будь то бактерія чи людина, містить довгу (від сотень тисяч до мільярдів пар нуклеотидів) безупинний ланцюг ДНК, уздовж якого розташовано безліч генів. Установлення кількості генів, їхнього точного місця розташування на хромосомі і детальній внутрішній структурі, включаючи знання повної нуклеотидної послідовності, - задача виняткової складності і важливості. Вчені успішно вирішують її, застосовуючи цілий комплекс молекулярних, генетичних, цитологічних, іммуногенетичних і інших методів.

1.2. Основні поняття і методи генетики

Представники будь-якого біологічного виду відтворюють подібні собі істоти. Це властивість нащадків бути схожими на своїх предків називається спадковістю.
Незважаючи на величезний вплив спадковості у формуванні фенотипу живого організму, родинні особи в більшому чи меншому ступені відрізняються від своїх батьків. Це властивість нащадків називається мінливістю. Вивченням явищ спадковості і мінливості займається наука генетика. Таким чином, генетика - наука про закономірності спадковості і мінливості. По сучасних представленнях, спадковість - це властивість живих організмів передавати з покоління в покоління особливості морфології, фізіології, біохімії й індивідуального розвитку у визначених умовах середовища. Мінливість - властивість, протилежна спадковості, - це здатність дочірніх організмів відрізнятися від батьків морфологічними, фізіологічними, біологічними особливостями і відхиленнями в індивідуальному розвитку. Спадковість і мінливість реалізуються в процесі спадкування, тобто при передачі генетичної інформації від батьків до нащадків через статеві клітини (при статевому розмноженні) або через соматичні клітини (при безстатевому розмноженні).

Генетика як наука вирішує наступні основні задачі:
• вивчає способи збереження генетичної інформації в різних організмів (вірусів, бактерій, рослин, тварин і людину) і її матеріальні носії;
• аналізує способи передачі спадкової інформації від одного покоління організмів до іншого;
• виявляє механізми і закономірності реалізації генетичної інформації в процесі індивідуального розвитку і вплив на їхні умови середовища існування;
• вивчає закономірності і механізми мінливості і її роль у пристосувальних реакціях і в еволюційному процесі;
• вишукує способи виправлення ушкодженої генетичної інформації.

Для рішення цих задач використовуються різні методи дослідження.

Метод гібридологічного аналізу був розроблений Грегором Менделем. Цей метод дозволяє виявити закономірності успадкування окремих ознак при статевому розмноженні організмів. Сутність його полягає в наступному: аналіз успадкування проводиться по окремим незалежним ознаки; прослідковується передача цих ознак у ряді поколінь; проводиться точний кількісний облік спадкування кожної альтернативної ознаки і характер потомства кожного гібрида окремо.
Цитогенетичний метод дозволяє вивчати каріотип (набір хромосом) клітин організму і виявляти геномні хромосомні мутації.
Генеалогічний метод припускає вивчення родоводів тварин і людину і дозволяє встановлювати тип успадкування (наприклад, домінантний, рецессивний) тієї чи іншої ознаки, зиготність організмів і імовірність прояву ознак у майбутніх поколіннях. Цей метод широко використовується в селекції і роботі медико-генетичних консультацій.
Близнюковий метод заснований на вивченні прояву ознак в однояйцевих і двухяйцевих близнюків. Він дозволяє виявити роль спадковості і зовнішнього середовища у формуванні конкретних ознак.
Біохімічні методи дослідження засновані на вивченні активності ферментів і хімічного складу клітин, що визначаються спадковістю. За допомогою цих методів можна виявити генні мутації і гетерозиготні носії рецессивних генів.
Популяційно-статистичний метод дозволяє розраховувати частоту зустрічальності генів і генотипів у популяціях.

Введемо основні поняття генетики.
При вивченні закономірностей спадкування звичайно схрещують особи, що відрізняються один від одного альтернативними (взаємовиключними) ознаками (наприклад, жовтий і зелений колір, гладка і зморшкувата поверхня горошин). Гени, що визначають розвиток альтернативних ознак, називаються аллельними. Вони розташовуються в однакових локусах (місцях) гомологічних (парних) хромосом. Альтернативна ознака і відповідний йому ген, що виявляється в гібридів першого покоління, називають домінантним, а не виявляється (подавлений) називають рецесивними. Якщо в обох гомологічних хромосомах знаходяться однакові аллельні гени (два домінантних чи два рецесивних), то такий організм називається гомозиготним. Якщо ж у гомологічних хромосомах локалізовані різні гени однієї аллельної пари, то такий організм прийнято називати гетерозиготним по даній ознаці. Він утворить два типи гамет і при схрещуванні з таким же по генотипі організмом дає розщеплення.
Сукупність усіх генів організму називається генотипом. Генотип являє собою взаємодіючі один з одним і впливаючи один на одного сукупності генів. Кожен ген випробує на собі вплив інших генів генотипу і сам робить на них вплив, тому той самий ген у різних генотипах може виявлятися по-різному.
. Сукупність усіх властивостей і ознак організму називається фенотипом. Фенотип розвив0ається на базі визначеного генотипу в результаті взаємодії з умовами зовнішнього середовища. Організми, що мають однаковий генотип, можуть відрізнятися один від одного в залежності від умов розвитку й існування. Окрема ознака називається феном. До фенотіпичних ознак відносяться не тільки зовнішні ознаки (колір очей, волосся, форма носа, фарбування квіток тощо), але й анатомічні (обсяг шлунка, будівля печінки тощо), біохімічні (концентрація глюкози і сечовини в сироватці крові і так далі) і інші.

1.3. Хромосомна теорія

До кіпця XIX в. у результаті підвищення оптичних якостей мікроскопів і удосконалювання цитологічних методів можливо стало спостерігати поводження хромосом у гаметах і зиготах. Ще в 1875 р. Гертвиг звернув увагу на те, що при заплідненні яєць морського їжака відбувається злиття двох ядер - ядра спермія і ядра яйцеклітини. У 1902 р. Бовері продемонстрував важливу роль ядра в регуляції розвитку ознак організму, а в 1882 р. Флеммінг описав поводження хромосом під час мітозу.
У 1900 р. закони Менделя були удруге відкриті і належним чином оцінені майже одночасно і незалежно один від одного трьома вченими - де Фрізом, Корренсом і Чермаком. Корренс сформулював висновки Менделя в звичній нам формі двох законів і ввів термін «фактор», тоді як Мендель для опису одиниці спадковості користувався словом «елемент». Пізніше американець Вільям Сзттон помітив дивну подібність між поводженням хромосом під час утворення гамет і заплідненням і передачею менделевських спадкових факторів.
На підставі викладених вище даних Сзттон і Бовери висловили думку, що хромосоми є носіями менделевських факторів, і сформулювали гак названу хромосомну теорію спадковості. Відповідно до цієї теорії, кожна пара факторів локалізована в парі гомологічних хромосом, причому кожна хромосома несе по одному факторі. Оскільки число ознак у будь-якого організму в багато разів більше числа його хромосом, видимих у мікроскоп, кожна хромосома повніша містити безліч факторів.
У 1909 р. Йогансен замінив термін фактор, що означав основну оди лицю спадковості, терміном ген. Альтернативні форми гена, що визначають його прояв у фенотипі, назвали аллеля- мі. Аллелі - це конкретні форми, якими може бути представлений ген, вони і займають те саме місце - локус - у гомологічних хромосомах.

Розділ 2. Сучасні можливості і задачі генетики і генної інженерії
2.1. Химери

Широкі можливості глибше зрозуміти роль генів у дифференцировці клітин і в регуляції взаємодій між клітинами в процесі розвитку дають химерні і трансгенні тварини. Розвиток експериментальних методів останнім часом уможливило одержувати зовсім незвичайних тварин, що несуть гени не тільки одного батька й однієї матері, але і більшої кількості предків.
Химерные тварини - це генетичні мозаїки, що утворяться в результаті об'єднання бластомерів від ембріонів з різними генотипами. Одержання таких ембріонів здійснюється в багатьох лабораторіях. Принцип одержання химер зводиться головним чином до виділення двом чи більшого числа ранніх зародків і їхньому злиттю. У тому вигадку, коли в генотипі зародків, використаних для створення химери є відмінності по ряду характеристик, удається простежити долю кліток обох видів. За допомогою химерних мишей було, наприклад, вирішене питання про спосіб виникнення в ході розвитку багатоядерних клітин поперечносмугованих м'язів. Вивчення химерних тварин дозволило вир: і пити чимало важких запитань, і в майбутньому завдяки застосуванню цього методу з'явиться можливість вирішувати складні питання генетики й ембріології.