§32. Понятие «рекомбинантная дезоксирибонуклеиновая кислота»

Цель изучения этой темы: объяснить способы получения рекомбинантных дезоксирибонуклеиновых кислот.

Что такое ДНК? Каковы механизмы ее рекомбинации? Что такое гомологичная рекомбинация, сайт-специфичная рекомбинация и незаконная рекомбинация? Могут ли эти процессы происходить без участия человека или только под его руководством?

Что нужно повторить для успешного изучения темы? § 26 данного учебника.

  Понятие о рекомбинантных ДНК (традиционное и новаторское) уже рассматривалось нами в разделе VI. Рекомбинантными считаются такие молекулы ДНК, в которых оказываются химически соединены фрагменты, принадлежавшие ранее разным живым организмам.
  Чем современное понятие «рекомбинантные ДНК», используемое в данной теме, отличается от классического понятия о рекомбинации? В классическом понимании рекомбинация – это образование хромосом, т. е. молекул ДНК, в которых произошло комбинирование фрагментов генетического материала организма (или организмов) одного вида. Возможно, что это даже ДНК одного организма. Самый значительный источник комбинации (именно комбинации, а не рекомбинации в контексте данной темы) наследственных признаков в природе – это, конечно, половой процесс. Ведь при половом размножении гарантированно образуются потомки, которые получают наследственный материал двух разных живых организмов – отца и матери. При половом размножении, начиная от конъюгации у бактерий, в одном организме оказываются молекулы ДНК, которые образовались при «сшивании» двух разных молекул ДНК, ранее принадлежавших разным организмам – разным бактериям. Но у бактерий как прокариот весь геном представлен кольцевыми молекулами ДНК – нуклеоидами. У бактерий нет хромосом, и поэтому их ДНК, возникшую в результате конъюгации, вполне можно было бы назвать и рекомбинантной. Это не было бы ошибочным использованием термина. Однако само понятие «рекомбинация», как и термин «конъюгация», неоднозначно и используется в нескольких смыслах и значениях. Использование термина «рекомбинация» в контексте данной темы имеет иной смысл, чем рекомбинантная ДНК бактерий, возникшая в результате конъюгации.
  В ходе перекрестного оплодотворения в одном организме оказываются целые хромосомы, т. е. целые молекулы ДНК, которые принадлежали ранее разным организмам, относящимся к одному виду. Если это, конечно, не случайно возникший межвидовой гибрид, вроде мула или лигра. «Но при классическом половом процессе эукариот рекомбинантные молекулы ДНК не образуются», – скажете вы. Да, в ходе оплодотворения молекулы ДНК не обмениваются фрагментами, они остаются цельными, принадлежащими или отцу, или матери. В части из этих хромосом будут «работать» доминантные аллельные гены. Их рецессивные аналоги, находящиеся в другой гомологичной хромосоме, будут «отдыхать» при условии, что доминирование полное. При оплодотворении происходит комбинация (или рекомбинация) целых хромосом, а не фрагментов молекул ДНК. Именно комбинация или рекомбинация будут происходить в каждой профазе мейоза I. Как вы помните, обязательным условием окончания мейоза и образования гамет является кроссинговер с предшествующей конъюгацией. В данном случае нельзя пренебречь термином «рекомбинация». В результате кроссинговера образуются именно рекомбинантные молекулы ДНК. Фрагменты, из которых состоят хромосомы после кроссинговера, принадлежат отцовскому и материнскому организмам существа, в теле которого происходил мейоз. Однако можно возразить, что теперь эти хромосомы уже не принадлежат разным организмам отца и матери. Они принадлежат теперь одному организму – их потомку, который достиг половой зрелости, и в его клетках происходит мейоз как основная часть гаметогенеза.
  Еще одним природным способом формирования рекомбинантных ДНК являются хромосомные мутации – транслокации, часто скомбинированные с делециями, дупликациями и инверсиями. В результате такого рода мутаций также могут возникнуть рекомбинантные молекулы ДНК, но опять же, как и при конъюгации, они будут принадлежать либо одному организму, либо разным организмам одного вида.
  Встраивание генома вируса в геном клетки-хозяина также можно считать путем рекомбинации. Понятно, что такую ДНК нельзя считать полноценно рекомбинантной, если вирус вызвал заражение, и в результате клетка, вместо того чтобы оставить потомство с рекомбинантной ДНК, погибла. Но ведь далеко не всегда вирусы вызывают гибель клеток. В природе известны случаи, когда часть генома, включенная в ДНК клетки-хозяина вирусом, оставалась встроенной и не мешала дальнейшей жизнедеятельности. Роль несмертельных (не литических, а умеренных) вирусных частиц как источника рекомбинации на сегодня плохо изучена и остается во многом спорной.

  Менее изученным, редко встречающимся, но доказанно существующим в природе является встраивание в ДНК путем рекомбинации так называемых «мобильных элементов генома» или «подвижных генетических элементов», открытых американским генетиком Барбарой Мак-Клинток на кукурузе в 1951 г. В 1983 г. это открытие получило Нобелевскую премию.

  Современное понятие о рекомбинантных ДНК в рамках изучения данной темы не предполагает ни результатов кроссинговера, ни хромосомных мутаций. Это искусственно созданные человеком «конструкции» молекул ДНК, в которых находятся гены организмов разных видов, обязательно объединенных химически в одну молекулу. Иначе говоря, это создание цельных молекул ДНК, определенные части в которых принадлежат, например животным, а другие части – бактериям или растениям разных видов и т. д.
  Рекомбинантные ДНК в современном понимании – это синоним термина «генная модификация организмов» с той только разницей, что понятие «генная модификация» несколько шире. В нее входит процесс создания организмов, в ДНК которых ничего не «вшивали», а только «вырезали», т. е. удаляли нежелательные гены. В этом случае произошло изменение генома, но не его рекомбинация, т. е. из двух или более разных организмов ДНК не скомбинировали. Его скорее «урезали» и этим «модифицировали».

  Рекомбинантная ДНК, нуклеоиды.

Знание и понимание
1. Как вы понимаете, что такое рекомбинантная ДНК в современном представлении?
2. Как вы понимаете, что такое генетическая рекомбинация в классическом представлении (до второй половины ХХ в.)?

Применение
1. Для чего необходимо изучать рекомбинационные процессы как естественные, так и инициированные человеком?
2. Определите связь между понятиями «рекомбинация молекул ДНК» и «генная модификация организмов».

Анализ
1. Изобразите в виде схемы различные типы рекомбинации генетического материала.
2. Выскажите ваше мнение, благодаря каким открытиям искусственное создание рекомбинантных молекул ДНК стало возможным.

Синтез
1. Порассуждайте, почему не все генно-модифицированные организмы можно назвать рекомбинантными. Какие исключения существуют?
Отметьте знаком Х организмы в соответствии с их генетическими характеристиками.

2. Оцените реальную ситуацию. Могли ли возникнуть методики и технологии получения организмов животных из культуры соматических клеток до открытий по созданию рекомбинантных ДНК?

Оценка
1. Напишите реферат о применении генно-модифицированных организмов.
2. Обсудите, какое значение имело бы создание «химерных» клеток, если бы были отработаны технологии получения организмов животных из клеточных культур. Оцените положительные и отрицательные стороны таких манипуляций.

×
×

Корзина