Генная инженерия и медицина

Министерство образования РС (Я) ФГАОУ ВПО «Северо-восточный федеральный университет им. М.К. Амосова»

Медицинский институт Кафедра биохимии и биотехнологий Реферат на тему: Генная инженерия и медицина

Выполнил студент 1 курса:

Стоматологического отделения Группа 101−1

Иванов Александр Александрович Преподаватель:

Доцент кафедры биохимии и биотехнологии, к.б.н. Соловьева М.И.

Якутск 2014

Содержание

Введение

Глава 1. Общие принципы и методы генетической инженерии Глава 2. Применение генной инженерии в медицине

2.1 Синтез в растениях чужеродных белков медицинского назначения

2.2 Наиболее впечатляющие практические свершения Заключение Литература

Генетическая инженерия представляет собой удивительное явление в науке, когда разработка новой методологии дает мощный импульс развитию нашего понимания окружающей природы, ее сокровенных глубин.

Генно-инженерные исследования вносят уникальный вклад в изучение структурно-функциональной организации геномов различных организмов. Методология генетической инженерии постоянно совершенствуется, и все больше исследователей используют ее при решении самых разных задач биологической науки.

Методами генетической инженерии созданы штаммы бактерий, дрожжей, линии клеток, с высокой эффективностью продуцирующих биологически активные белки человека и животных. Это позволяет получать эукариотические полипептиды в огромных по сравнению с недавним прошлым количествах, что упрощает процедуру их очистки вплоть до индивидуального состояния. Работы по созданию штаммов-продуцентов имеют очень важное значение для медицины и ветеринарии и революционизируют бурно развивающуюся отрасль промышленности — биотехнологию. Чрезвычайно интересны исследования по созданию трансгенных животных и растений, содержащих и экспрессирующих чужеродную генетическую информацию.

Глава 1. Общие принципы и методы генетической инженерии

Генетическая инженерия — это новый раздел экспериментальной молекулярной биологии. Появление ее методологии стало возможным благодаря предшествующим работам многих исследователей в различных областях биохимии и молекулярной генетики. К основным достижениям, которые обусловили рождение и успешное развитие генетической инженерии, можно отнести следующие:

* доказательство в 1944 г. О. Эйвери с соавторами роли ДНК как носителя генетической информации и открытие в 1953 г. Дж. Уотсоном и Ф. Криком структуры ДНК;

* экспериментальное подтверждение универсальности генетического кода;

* интенсивное развитие молекулярной генетики, объектами которой прежде всего стали бактерия Escherichia coli, а также ее вирусы и плазмиды;

* отработка простых методов выделения высокоочищенных препаратов неповрежденных молекул ДНК плазмид и вирусов;

* разработка методов введения в чувствительные клетки молекул ДНК вирусов и плазмид в биологически активной форме, обеспечивающей репликацию молекул ДНК и/или экспрессию кодируемых ими генов;

* открытие ряда ферментов, использующих ДНК в качестве субстрата катализируемых ими реакций, особенно рестриктаз и ДНК — лигаз.

Объединение в начале 1970;х гг. до того независимо разрабатываемых методов позволило создать современную стратегию генетической инженерии, суть которой заключается в следующем:

1) в небольшую молекулу ДНК, способную реплицироваться в клетке автономно от хромосомы (плазмиду или вирусную ДНК), ферментативно встраивают фрагменты молекул ДНК любого изучаемого организма или искусственно синтезированные сегменты ДНК;

2) образующиеся при этом молекулы (гибридные ДНК), вводят в чувствительные прокариотические или эукариотические клетки, где они реплицируются, размножая в своем составе встроенные фрагменты ДНК;

3) определенными методами отбирают клоны клеток или вирусов, содержащих индивидуальные типы молекул гибридных ДНК;

4) выявленные гибридные ДНК подвергают разностороннему структурно-функциональному изучению, особую роль при этом играют высокоэффективные методы расшифровки последовательности нуклеотидов (секвенирования) фрагментов ДНК.

Молекулы ДНК, создаваемые методами генетической инженерии, часто называют рекомбинантными ДНК (рекДНК). В данной работе конструируемые in vitro молекулы ДНК мы будем называть гибридные ДНК, чтобы подчеркнуть их отличие от молекул, образуемых in vivo в результате естественной рекомбинации природных ДНК по областям гомологии. Детерминируемые гибридными генами «составные» белки, состоящие из ковалентно связанных аминокислотных последовательностей разных белков, будем называть химерными. Генетическая инженерия значительно расширила экспериментальные границы молекулярной биологии, поскольку позволила вводить в различные типы клеток чужеродную ДНК и исследовать ее функционирование в гетерологичном окружении. Это дало возможность выявлять общебиологические закономерности организации и выражения генетической информации в различных организмах. Данный подход открыл перспективы создания принципиально новых микробных продуцентов биологически активных веществ, а также животных и растений, несущих функционально активные чужеродные гены. Более того, появилась возможность искусственно создавать гены, кодирующие химерные полипептиды, обладающие свойствами двух или более природных белков. Все это удивительным образом революционизировало биологическую науку и дало мощный импульс развитию биотехнологии.

Глава 2. Применение генной инженерии в медицине

2.1 Синтез в растениях чужеродных белков медицинского назначения

Для медицинских целей растения используют тысячи лет, но генетическая инженерия позволила создать новые растения, белковые продукты которых важны для терапии различных заболеваний. Гены терапевтически важных белков человека и животных можно вводить в разные системы экспрессии, каждая из которых имеет свои достоинства и недостатки. Идеальной является система экспрессии, которая наиболее безопасна и обеспечивает продукцию биологически активного продукта по минимальной цене. В системе клеток млекопитающих могут синтезироваться белки человека и животных, в максимальной степени схожие с природными, но культивирование таких клеток дорого и ограничено по масштабу. Бактерии можно производить в большом масштабе, но синтезируемые в них эукариотические белки далеко не всегда имеют правильную третичную структуру. Кроме того, они не могут подвергаться посттрансляционной модификации.

Продукция рекомбинантных белков в растениях имеет ряд потенциальных преимуществ перед другими системами экспрессии чужеродных генов. Растительные системы более дешевы по сравнению с культивированием в биореакторах (ферментерах). Все, что требуется для нормальной жизнедеятельности растений, — это минеральные соединения, содержащиеся в почве, вода, энергия солнечного света и углекислый газ. В растениях возможна посттрансляционная модификация синтезируемых чужеродных полипептидов. Обязательным условием образования функционально активных белков является правильная укладка полипептидной цепи. У млекопитающих за это отвечают по крайней мере два шаперона — BiP/GRP78 и GRP94. В высших растениях сигнальные последовательности (например Lys-Arg-Glu-Leu на С-конце полипептида) направляют белки в эндоплазматический ретикулум, где обнаружены шапероны, гомологичные BiP/GRP78 и GRP94.

Важной особенностью растений по сравнению с культурами клеток млекопитающих и трансгенными животными является то, что в них не могут развиваться такие патогены человека и животных, как вирусы, прионы и др., что обеспечивает гораздо большую безопасность генно-инженерных продуктов, выделенных из растений. Примеры в таблице.

Технологии сбора и обработки растений в больших масштабах уже существуют, что значительно упрощает и удешевляет работу с посевами трансгенных растений.

Белки, продуцируемые в семенах, клубнях, плодах, обладают значительной стабильностью и могут сохраняться в них без выделения длительное время.

Значительную долю в стоимость рекомбинантных белков медицинского назначения вносит их очистка. При синтезе некоторых белков в зерне риса, пшеницы, плодах томата, бананов и др. возможно их введение в организм алиментарным путем (с пищей) без предварительной очистки, что значительно снизит стоимость таких препаратов.

Таблица 1. — Примеры продукции трансгенными растениями белков человека для возможного терапевтического применения.

2.2 Наиболее впечатляющие практические свершения

генная инженерия белок инсулин Среди многих достижений генной инженерии, получивших применение в медицине, наиболее значительное в получение человеческого инсулина в промышленных масштабах.

Всем широко и печально известна такая болезнь, как сахарный диабет, когда организм человека утрачивает способность вырабатывать физиологически важный гормон инсулин. В результате в крови накапливается сахар и больной может погибнуть. Инсулин уже давно получают из органов животных и используют в медицинской практике. Однако многолетнее применение животного инсулина ведет к необратимому поражению многих органов пациента из-за иммунологических реакций, вызываемых инъекцией чужеродного человеческому организму животного инсулина. Но даже потребности в животном инсулине до недавнего времени удовлетворялись всего на 60 — 70%. Так, в 1979 году из 6 млн. больных во всем мире только 4 млн. получали инсулин. Без лечения инсулином больные умирали. А если учесть, что среди больных диабетом немало детей, становится понятным, что для многих стран это заболевание превращается в национальную трагедию.

Генные инженеры в качестве первой практической задачи решили клонировать ген инсулина. Клонированные гены человеческого инсулина были введены с плазмидой в бактериальную клетку, где начался синтез гормона, который природные микробные штаммы никогда не синтезировали. Начиная с 1982 года фирмы США, Японии, Великобритании и других стран производят генно-инженерный инсулин. Проблема решена. Из 1000 литров бактериальной культуры получают приблизительно 200 г инсулина, что равно количеству, получаемому из 1600 кг поджелудочной железы животных. Параллельно была решена проблема иммунологического поражения организмов диабетиков животным инсулином.

Производство и продажу инсулина впервые начала американская фирма Eli Lilly. Мировой рынок инсулина составляет в настоящее время более 400 млн. долларов, ежегодное потребление около 2500 кг.

Более двадцати фирм Японии и несколько американских фирм разрабатывали другой очень важный медицинский препарат — интерферон, который эффективен при различных вирусных заболеваниях и злокачественных новообразованиях. Первым из этих соединений на рынок поступил альфаинтерферон, затем бета-интерферон.

Еще один эффективный противораковый препарат — интерлейкин — производится в Японии и США. Интересно отметить, что сегодня американский рынок медицинских препаратов, полученных методами генной инженерии, сравним с такими массовыми лекарствами, как антибиотики. К 2000 году стоимость продукции, выпускаемой в США на основе генно-инженерных методов, достигнет 50 млрд. долларов в год.

Около 200 новых диагностических препаратов уже введены в медицинскую практику, и более 100 генно-инженерных лекарственных веществ находится на стадии клинического изучения. Среди них лекарства, излечивающие артрозы, сердечно-сосудистые заболевания, некоторые опухолевые процессы и, возможно, даже СПИД. Среди нескольких сотен генно-инженерных фирм 60% работают над производством лекарственных и диагностических препаратов.

Генотерапия Неблагоприятная экологическая обстановка и целый ряд других подобных причин приводят к тому, что все больше детей рождается с серьезными наследственными дефектами. В настоящее время известно 4000 наследственных заболеваний, для большинства из которых не найдено эффективных способов лечения.

Генные инженеры уже внесли свой вклад в решение этой проблемы, разработав диагностические препараты, позволяющие обнаруживать генетические аномалии в период беременности, что дает возможность предотвратить рождение больного ребенка. Однако более одного процента всех новорожденных имеют генетические заболевания, которые приводят к физическим и умственным нарушениям, а также к ранней смерти.

Буквально с первых шагов генной инженерии ученые задались целью разработать методы исправления генетических повреждений путем введения в организм «здоровых» генов. В 1989 году в Национальных Институтах Здоровья США впервые была предпринята попытка применить в клинической практике генотерапию для лечения опасного заболевания «тяжелый комбинированный иммунодефицит» (ТКИД). В настоящее время генотерапия ТКИД проходит завершающую стадию клинических испытаний.

Наиболее обнадеживающие результаты ожидают в тех случаях, когда заболевание обусловлено дефектом одного гена. В этом случае полагают, что удастся вводить нормальный ген в соматические клетки прицельно в то место на хромосоме, где находится дефектный ген. При гомологичной рекомбинации введенный ген заместит дефектный. Такой однократной процедуры в ряде случаев будет достаточно, чтобы излечить болезнь. Однако на практике очень трудно проконтролировать судьбу введенной в клетки ДНК, и на одно правильное встраивание в генном приходится более 1000 случайных. Разрабатывается и другой подход, когда введенный ген не заменяет дефектный, а компенсирует его функцию, встраиваясь в хромосому в другом месте.

Исследования ведутся очень интенсивно, хотя до реализации программы лечения для большинства наследственных заболеваний предстоит еще длинный и многотрудный путь. Возможность излечения таких заболеваний путем введения нормальных генов — это такая благородная задача, что в некоторых странах исследования в области генотерапии считаются наиболее приоритетными и финансируются в первую очередь.

Заключение

В заключение хотелось бы скачать, что генная инженерия эта молодая отрасль науки и предсказать что будет, затруднительно. Но ее вклад в медицину неоспорим, множество болезней было вылечено благодаря генной инженерии и она имеет множество перспектив.

ГИ может перевернуть всю суть человечества и положить начало новой эры или же стать причиной гибели, если она будет применена не во благо человечества.

1. О Щелкунов С. Н «Генная инженерия», 2004

2. Сассон А. «Биотехнология», 1987

3. Дягтерев Н. «Генная инженерия. Спасение или гибель человечества?», 2002