МОЛЕКУЛЯРНО- ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНЖЕНЕРИИ

Молекулярная генетика исследует процессы, связанные с наследственностью на молекулярном уровне. Единицей генетической или наследственной информации является ген. Ген – это участок молекулы дезоксирибонуклеино вой кислоты (ДНК), несущей информацию об одной полипептидной цепи.

Молекула ДНК – полимер, состоящий из двух цепочек нуклеотидов Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания моносахарида рибозы или дезоксиорибозы остатка фосфорной кислоты

Азотистые основания в ДНК бывают четырёх типов аденин (А), тимин (Т), гуанин (Г) и цитозин (Ц). Вдоль нити ДНК азотистые основания прочно связаны между собой через моносахарид и остаток фосфорной кислоты фосфодиэфирной связью, между цепочками – через водородные связи аденин комплементарен тимину, гуанин – цитозину

Количественное соотношение нуклеотидов в молекуле ДНК известны в виде правил Чаргаффа ΣА = ΣТ или ΣА / ΣТ = 1 ΣГ = ΣЦ или ΣГ / ΣЦ = 1 Σ(А + Г) = Σ(Т + Ц) или Σ(А + Г) / Σ(Т + Ц) = 1 Количество комплементарных оснований А + Т и Г + Ц у разных видов живых организмов различно Отношение Σ(Г + Ц) / Σ(А+ Т) является важнейшей характеристикой ДНК, как показатель специфичности её нуклеотидного состава

Информационной РНК (и-РНК) Информационная РНК – полимер, состоящий из одной цепочки нуклеотидов. В состав нуклеотидов также входят азотистые основания, моносахарид рибоза и остаток фосфорной кислоты Азотистых оснований в РНК также четыре: аденин, урацил, гуанин, цитозин

Информационная РНК по принципу комплементарности снимает информацию с ДНК. Этот процесс называется транскрипцией. Важно подчеркнуть, что и-РНК транскрибируется всегда только с одной цепочки ДНК в направлении от 3 к 5 концу ДНК 5– Т – Г – Г – Т – А – Т –3 3– А – Ц – Ц – А– Т – А –5 и-РНК 5– У – Г – Г – У –А – У –3 Схема строения ДНК и транскрипции и-РНК. направление

Расшифровка генетической информации трансляция - расшифровка генетической информации происходит на рибосомах (полисомах), где осуществляется синтез полипептидной цепи белков по матрице и-РНК транспортные РНК (т-РНК) - доставляют аминокислоты к рибосомам и находят им своё место в полипептидной цепи, предусмотренное кодом

Свойства генетического кода Генетический код триплетен, т.е. каждую аминокислоту кодируют три рядом стоящие нуклеотида (кодон). Триплеты УАА, УАГ и УГА являются стоп- кодонами.

Генная инженерия промышленно-важных продуцентов и целевых продуктов

Клеточная инженерия одно из наиболее важных направлений в биотехнологии. Она основана на использовании принципиально нового объекта изолированной культуры клеток или тканей эукариотических организмов, а также на тотипотентности уникальном свойстве растительных клеток воспроизводить целый организм. Генетическая (геннная) инженерия – это методы получения рекомбинантных (гибридных) ДНК из фрагментов геномов разных организмов, введение их в клетку и обеспечение условий для экспрессии чужеродных генов. При этом можно осуществить направленное конструирование (создание) организмов с заданными (нужными человеку) свойствами, что трудно (или невозможно) сделать обычными методами – гибридизацией, мутагенезом и др.

Генетическая инженерия, принципы, возможности. Области применения биологических агентов, полученных методами генетической инженерии Модификация генетического материала осуществляется разными методами клеточная инженерия - в живом организме (in vivo) генетическая инженерия - вне его (in vitro)

Прогресс в области генетики бактерий и бактериофагов Трансдукция - процесс переноса бактериальной ДНК из одной клетки в другую осуществляется бактериофагом Конъюгация - процесс переноса части генетического материала (плазмид, бактериальной хромосомы) при непосредственном контакте двух бактериальных клеток. Репликация - процесс синтеза дочерней молекулы ДНК на матрице родительской молекулы ДНК. В ходе последующего деления материнской клетки каждая дочерняя клетка получает по одной копии молекулы ДНК, которая является идентичной ДНК исходной материнской клетки

Свойства генетического кода Генетический код триплетен Кодон - каждую аминокислоту кодируют три рядом стоящие нуклеотида

Перенос информации с ДНК, находящейся в ядре, в цитоплазму, где реализуется синтез белка на рибосомах последовательность триплетных кодонов, хранящаяся в ДНК, транскрибируется (переписывается ) в недолговечные молекулы информационной РНК (иРНК). Данный этап ДНК иРНК был назван транскрипцией, Этап иРНК белок – трансляцией. Перенос аминокислоты и определение ее местонахождения в синтезирующейся белковой молекуле осуществляет транспортная РНК (тРНК)

Механизм контроля генной активности показал, что у бактерий есть структурные гены - дающие информацию о синтезе определенных белков регуляторные гены - осуществляют включение или выключение отдельных генов или их блоков

Секвенирование Определение аминокислотной или нуклеотидной последовательности (от лат. sequentum последовательность). В результате секвенирования получают формальное описание первичной структуры линейной макромолекулы в виде последовательности мономеров в текстовом виде. Размеры секвенируемых участков ДНК обычно не превышают 100 пар нуклеотидов (next-generation sequencing) и 1000 пар нуклеотидов при секвенировании по Сенгеру. В результате секвенирования перекрывающихся участков ДНК, получают последовательности участков генов, целых генов, тотальной мРНК и даже полных геномов организмов

Названия «генетическая (или генная) инженерия» или «работа с рекомбинантными ДНК» эквивалентны Суть этой технологии заключается в воссоединении фрагментов ДНК in vitro с последующим введением новых («рекомбинантных») генетических структур в живую клетку

ДЛЯ ТОГО, ЧТОБЫ ИСКУССТВЕННЫМ ПУТЕМ НАДЕЛИТЬ КАКОЙ-ЛИБО ОРГАНИЗМ НОВЫМИ НАСЛЕДСТВЕННЫМИ СВОЙСТВАМИ, НУЖНО ВВЕСТИ В НЕГО ХОТЯ БЫ ОДИН ЧУЖЕРОДНЫЙ ГЕН. ПРИЧЕМ, НЕОБХОДИМО ПРИГОТОВИТЬ (СКОНСТРУИРОВАТЬ) ФРАГМЕНТ ЧУЖЕРОДНОЙ ДНК, СОДЕРЖАЩИЙ ЭТОТ НУЖНЫЙ ГЕН. ОСУЩЕСТВЛЯЕТСЯ ЭТА ПРОЦЕДУРА С ПОМОЩЬЮ ДВУХ ОПЕРАЦИЙ: "РАЗРЕЗАНИЯ" И "СШИВАНИЯ". РОЛЬ ПОРТНЯЖНЫХ ИНСТРУМЕНТОВ для генетического конструирования стали две группы ферментов – рестриктирующие эндонуклеазы (рестриктазы) и лигазы

Группы ферментов Рестриктирующие эндонуклеазы (рестриктазы) - (своеобразные молекулярные ножницы), действуя на двухцепочечную ДНК, "узнают" в ней определенную последовательность нуклеотидов. Причем, каждая рестриктаза узнает только свою последовательность ДНК, прикрепляется к ней и разрезает ее в месте прикрепления. Рестриктазам безразлично, какую ДНК разрезать – человека или растения, бактерии или вируса, лишь бы в ней были распознаваемые участки. Это значит, что две совершенно несхожих между собой последовательности ДНК (допустим из клеток слона и лягушки) при обработке одной и той же рестриктазой легко можно сшить (слепить) друг с другом.

Рестриктазы распознают в молекулах ДНК очень короткие, но строго специфичные для каждого фермента участки длиной в 4 – 6 пар нуклеотидов и разрезают обе цепи ДНК посередине этих участков или с некоторым смещением образуются обрывки с ровными (тупыми) концами стороны разрезаемых цепочек ДНК заходят одна за другую (липкими) концами поскольку они могут, как бы слипаться между собой в силу комплементарности

Виды рестриктаз

Некоторые рестриктазы и расщепляемые ими последовательности. РестриктазыУчастки распознования и места разреза ДНК Bam I 5`-Г-Г-А-Т-Ц-Ц-3` 3`-Ц-Ц-Т-А-Г-Г-5` EcoR I 5`-Г-А-А-Т-Т-Ц-3` 3`-Ц-Т-Т-А-А-Г-5` Hind III 5`-А-А-Г-Ц-Т-Т-3` 3`-Т-Т-Ц-Г-А-А-5` Hae III 5`-Г-Г-Ц-Ц-3` 3`-Ц-Ц-Г-Г-5` Hpa II 5`-Ц-Ц-Г-Г-3` 3`-Г-Г-Ц-Ц-5` Sma I 5`-Ц-Ц-Ц -Г-Г- Г-3` 3`-Г-Г- Г- Ц-Ц-Ц-5`

ДНК-лигаза сшивает между собой сахарофосфатные остовы двух фрагментов с образованием полной структуры двойной спирали ДНК

ЭТАПЫ СОЗДАНИЯ ТРАНСГЕННЫХ ОРГАНИЗМОВ. ВЕКТОРНАЯ ТРАНСФОРМАЦИЯ

Генетическое конструирование in vitro Получение нужного гена (трансгена), намеченного для переноса Создание специальных генетических конструкций – векторов (переносчиков) Генетическая трансформация Молекулярная селекция Выращивание измененных клеток в целые трансгенные организмы

Получение генов выделением из ДНК химико-ферментным синтезом ферментным синтезом

Выделение генов из ДНК Проводят с помощью рестриктаз, катализирующих расщепление ДНК на участках, имеющих определенные нуклеотидные последовательности (4–7 нуклеотидных пар): 1.Расщепление можно проводить посередине узнаваемого участка нуклеотидных пар; при этом обе нити ДНК «разрезаются» на одном уровне. Образующиеся фрагменты ДНК имеют так называемые тупые концы. 2.Возможно расщепление ДНК со сдвигом, при этом одна из нитей выступает на несколько нуклеотидов. Образуемые при этом «липкие» концы в силу своей комплементарности вступают во взаимодействие.

Химико-ферментный синтез Метод состоит из химического синтеза одноцепочечных фрагментов ДНК (олигонуклеотидов) за счет поэтапного образования эфирных связей между нуклеотидами, обычно 8–16-звенных

Ферментный синтез гена на основе выделенной матричной РНК (мРНК) Сначала из клеток выделяют матричные РНК, среди которых присутствует мРНК, кодируемая геном, который требуется выделить. Затем в подобранных условиях на выделенной из клетки мРНК, как на матрице, с помощью обратой транскриптазы (ревертазы) синтезируется нить ДНК, комплиментарная м РНК (кДНК) Полученная комплиментарная ДНК (кДНК) служит матрицей для синтеза второй нити ДНК с использованием ДНК-полимеразы или ревертазы. Затравкой при этом служит олигонуклеотид, комплиментарный 3-концу мРНК; новая цепь ДНК образуется из дезоксинуклеозидтрифосфатов в присутствии ионов магния

Конструирование рекомбинантных ДНК Вектор – это молекула ДНК, способная самостоятельно реплицироваться в клетках различных организмов и обеспечивать размножение (клонирование) и работу (экспрессию) встроенного в неё искусственно какого- либо гена. вектор (vehicle) – повозка

Вектор должен обладать следующими свойствами. 1. Способность к автономной (т.е. независимо от хромосомы реципиента) репликации в клетке реципиента. 2. Наличие сайта, в котором возможно встраивание желаемого фрагмента ДНК. 3. Наличие одного или нескольких маркерных генов, благодаря которым клетка-реципиент будет обладать новыми признаками, позволяющими отличить трансформированные клетки (т.е. содержащие рекДНК) от исходных. 4. Кроме того, чтобы чужеродный ген экспрессировался, необходимо его поместить под соответствующий промотор.

плазмиды - представляют собой небольшие кольцевые молекулы ДНК, самостоятельно живущие в цитоплазме бактерий. плазмиды способны к автономной репликации, обладают генами устойчивости к различным антибиотикам, что позволяет легко обнаружить их присутствие в клетках плазмиды могут внедряться в хромосому клетки хозяина, а также имеют участки ДНК (сайты рестрикции) для действия ряда рестриктаз

Структура вектора, созданного на основе ДНК бактериофага λ

Простейший плазмидный вектор pSC101 Кольцевая плазмида pSC101 несет только один участок расщепления (сайт рестрикции) рестриктазой EcoR1 и превращается под действием этого фермента из кольцевой в линейную молекулу, концы которой могут «слипаться» между собой или с любыми фрагментами другой ДНК, полученными под действием той же рестриктазы. Кроме того, она несет ген устойчивости к антибиотику тетрациклину, а значит легко обнаруживается в бактериях, если их растить на среде с этим антибиотиком. Все эти свойства pSC101 и были использованы для создания и клонирования первых гибридных (рекомбинантных) ДНК, которые были бы функционально активными, то есть могли бы стабильно существовать в клетке и наделять (трансформировать) ее новыми признаками

Перенос генов в клетки организма-реципиента Трансформация – это процесс изменения генетических свойств клетки в результате проникновения в нее чужеродной ДНК Установлено, что к трансформации способны лишь некоторые, так называемые компетентные, клетки (способные включать чужеродную ДНК и синтезирующие особый трансформирующий белок)

Перенос генов в клетки организма-реципиента. Конъюгация – один из способов обмена генетического материала, при котором происходит однонаправленный перенос генетической информации от донора к реципиенту. Этот перенос находится под контролем особых конъюгативных плазмид (фактор фертильности). Перенос информации от донорской клетки в реципиентную осуществляется через специальные половые ворсинки (пили)

Скрининг и отбор рекомбинантных клеток 1.идентифицируют и отбирают клетки, несущие вектор, на основе которого осуществлен перенос ДНК 2.отбирают клетки, несущие вектор и ген-мишень Для этого используют две группы методов а. основанные на непосредственном анализе ДНК клеток- реципиентов б. основанные на идентификации признака, кодируемого геномишенью

Основные проблемы, возникающие при генетических манипуляциях гены при трансформации, попадая в чужеродную среду, подвергаются воздействию протеаз, поэтому их надо защищать; как правило, продукт трансплантированного гена аккумулируется в клетках и не выделяется в среду; большинство желаемых признаков кодируется не одним, а группой генов