Размышления о генной инжнерии

Зарождение генной инженерии

Считается, что честь изобретения генной инженерии принадлежит человеку. Но, к сожалению, здесь нас ждет разочарование – генная инженерия была изобретена бактериями задолго до появления нашего вида. Мы же украли эту идею, да еще и изобретателей заставили себе служить. Жертвой стал микроб Agrobacterium tumefaciens. У предков агробактерии имелся молекулярный аппарат для обмена генетическим материалом с другими микробами.

Микробный половой процесс сводится к внесению в цитоплазму других микроорганизмов фрагментов своей ДНК в ходе конъюгации. В какой-то момент бактерия решила использовать свой половой аппарат для введения своей ДНК в клетки растений, на которых она паразитирует. В результате гены агробактерии начинают работать в растительной клетке, вызывая усиленное деление клеток и образование опухолей, в которых бактерия чувствует себя комфортно. Это и есть самая настоящая генная инженерия, то есть введение чужеродного генетического материала с целью направленного изменения свойств организма – реципиента.1 (А Марков)

Оставим честь первооткрытия бактериям. Человек, хоть и нарушил авторские права своих соседей по планете, пошел гораздо дальше и расширил границы применения простой бактериальной технологии. С чего же все начиналось? В среду, 2 апреля 1953 года в журнал “Nature” была послана небольшая статья, начинавшаяся со слов: "Мы предлагаем вашему вниманию структуру соли дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Эта структура имеет некоторые новые свойства, которые представляют значительный биологический интерес", авторами которой были Фрэнсис Крик и Джеймс Уотсон.

Открытие структуры ДНК стало первым этапом в череде великих открытий, большинство из которых были удостоены Нобелевской премии. В 1990 году был запущен проект «Геном человека» под руководством Д. Уотсона, которого в 1993 году сменил Фрэнсис Коллинз. Целью проекта было установление последовательности нуклеотидов, которые составляют ДНК и идентифицировать 20-25 тысяч генов, присутствующих в человеческом геноме. В 2000 году был закончен черновой вариант генома, а в 2003 – полный. Собственно, расшифровка генома человека и положила начало генной инженерии. Хотя в отношении людей правильнее применять термин генная терапия, так как декларация о правах человека допускает использование этого метода только для лечения, но не для модификации и улучшения организма.

&񗜳

Основы генной технологии

В чем же суть генной инженерии? Генная инженерия - это совокупность приёмов, методов и технологий получения рекомбинантных РНК и ДНК, выделения генов из организма (клеток), осуществления манипуляций с генами и введения их в другие организмы.

Технология принципиально не отличается от той, которой пользуются бактерии. Разница в том, что бактерии вводят уже готовые кусочки ДНК, в то время как человеку для достижения своих целей необходимо получить нужные ему гены, обработать их так, чтобы они были способны проникнуть в клетку и только после этого вводить. Процесс искусственной генетической модификации какого-либо организма состоит из следующих этапов:

1. Получение изолированного гена.

2. Введение гена в вектор для переноса в организм.

3. Перенос вектора с геном в модифицируемый организм.

4. Преобразование клеток организма.

Классическая генная инженерия заключается в доставке необходимых генов клетке с целью вызвать их экспрессию, а не классическая – с целью подавить экспрессию мутантных патологических генов

Генетический материал может быть доставлен в организм непосредственно, подкожным, внутримышечным, внутривенным введением, либо ex vivo, когда происходит модификация клеток in vitro, а затем введение этих клеток обратно в организм-хозяин. Доставка может быть осуществлена биологическим (вирусный или бактериальный векторы), физическим (непосредственное введение при помощи шприца или генной пушки) или химическим ( «липосомальным») методом. Ни один их физикохимических методов генной терапии не привел к заметным изменениям при испытаниях на человеке. Самым распространенным и эффективным способом доставки генетического материала в клетки является использование вирусных векторов, однако создание такого вектора сопряжено со значительными трудностями. Вирусный вектор должен обладать определенными свойствами:

• Способностью быстро интегрировать представленную генетическую последовательность в геном клетки – хозяина.

• Тропностью к конкретным тканям и клеткам.

• Максимально возможной неиммуногенностью.

• Достаточной вместимостью.

Вирусы, которым выпала честь послужить на пользу человечества подвергаются специальной обработке, целью которой является удаление инфекционного материала вируса и введение в него нужный нам ген. Генетически модифицированные вирусы затем вводятся в организм, где они заражают целевые клетки, и направляют их на экспрессию новоприобретенных генов.

Другой способ доставки генетического материала состоит в использовании невирусного вектора – плазмидной ДНК (пДНК). Это гораздо более легкий путь, так как ДНК, содержащая целевой ген выделяется с помощью обыденной технологии в обычных лабораториях. Специальные ферменты используются для разрезания ДНК на кусочки, которые затем вставляются в бактериальные плазмиды. Плазмиды внедряются в подходящие клетки, обычно бактериальные, которые затем размножаются и реплицируют плазмиды в огромных количествах. Затем ДНК очищается от белков и других загрязняющих веществ. Процесс занимает 1-2 дня. Однако по сравнению с вирусным вектором, такой способ доставки является малоэффективным. Сейчас разработаны способы, которые увеличивают эффективность пДНК-доставки (электрофорез in vivo, использование ультразвука, лазера или магнитных частиц).

Кроме того можно управлять генами с помощью разнообразных маленьких молекул естественным, селективным и специфическим способом – РНК интерференцией (РНК-и). РНК-и – это механизм ингибирования экспрессии генов на стадии транскрипции. Небольшие последовательности РНК (микроРНК) присоединяются к матричной РНК и останавливают синтез белков, блокирую трансляцию и разрушая мРНК. Более того, существуют специальные молекулы, которые прикрепляясь к гену, блокируя области, где происходит сплайсинг, таким образом добавляя или исключая определнный экзон. Повсеместность и специфичность РНК-и механизма облегчает использование его для регуляции активности любого конкретного гена в любой ткани.

&񗜳

Главные вопросы генной инженерии

Казалось бы, все просто. Технология налажена, пусть сейчас что-то не получается – обязательно получится завтра. Все технологические проблемы со временем будут разрешены. Манипуляция, которая со временем может быть поставлена на поток, способна избавить человечество от всех бед, которыми «матушка-природа неразумно нас наградила». Уйдут в прошлое болезни, ведь можно будет создавать организмы, где механизмы борьбы с современными «бичами» человечества уже заложены! Исчезнут дети с врожденными пороками развития, слабые, глупые, некрасивые. Все будут счастливы. Но не тут-то было. Перед генной инженерией стеной стоят Религия, Наука и Этика.

Религиозно – этические проблемы

Очень сложно применить уже устоявшиеся моральные принципы к этическим проблемам генной инженерии. Не потому, что они не верны, а потому, что генная инженерия вызывает появление таких вопросов, с которыми человечество раньше не сталкивалось. В связи с этим необходимо широкое общественное обсуждение, в котором должны принимать участие не только ученые, которые, увлекшись, говорят: « мы сделали то, придумали это, так почему бы нам не разработать что-нибудь еще», но и представители духовенства, ученые других сфер да и просто люди из народа. Только в таком случае мы сможем получить оптимальный вариант. Причем желательно проводить эти обсуждения до того, как готовая технология будет пылиться на полочке и ждать, пока ее пустят в ход.

Такие дискуссии уже давно проходят по всему миру. Одними из первых на пути новой технологии встали представители религии. К сожалению, очень часто споры ученых и религиозников сводятся к высказыванию взаимных упреков. Одни говорят, что Х это замечательно, другие – что Х – происки Дьявола. При здравом размышлении понятно, что ни те, ни другие не правы и Х в одном случае будет полезно, а в другом его лучше избегать. Основные дискуссии разворачиваются вокруг эмбриона. «Когда у него появляется душа? Можно ли идти поперек воли Божьей, исправляя возможные недостатки? – вот главные вопросы, которые пытаются решить ученые и представители мировых религий. Римская католическая церковь решает эти вопросы однозначно – нет. Человек становится человеком с момента зачатия, поэтому любимые манипуляции с эмбрионом, даже направленные на исправление генетических дефектов противоречат воле Бога. Со временем, церковь дала согласие на проведение генной терапии взрослым с той оговоркой, что изменения не затронут половые клетки. То же гласит и Декларация о правах человека. Многие ученые решают эти проблемы сами для себя, основываясь на личных размышлениях

В каждой стране есть свое видение этой проблемы, так, например, в Великобритании разрешены манипуляции с зародышем до 14-дневного возраста (с этого момента начинается развитие нервной системы).

Противникам генной инженерии,считающим, что модифицирование организма является неприемлимым, стоит вспомнить, что человечество уже давно пользуется средствами, улучшающими природу человека. Это и прививки и занятия музыкой, выпрямление зубов, занятия спортом в конце концов. А уж окрашивание волос и пластические операции вообще можно считать глупой суетой в большинстве случаев, но ведь никто не считает их аморальными.

Каждая ситуация требует особого рассмотрения. Инъекции соматотропина детям с задержкой роста являются вполне приемлемой процедурой, равно как и введение эритропоэтина людям с заболеваниями крови не находится под запретом. С другой стороны, использование этих препаратов спортсменами для наращивания мышечной массы мягко говоря не считается этичным. А ведь генно-инженерный допинг еще и невозможно обнаружить. Поэтому до сих пор не известно до конца, существует он или нет.

Проблема недостатка знаний

Коснемся, наконец, самого насущного вопроса генной инженерии. Если религиозно-этические проблемы решаются в споре, то проблемы научного плана возможно, никогда не будут разрешены.

Как минимум последние 350 лет ученые активно пользовались принципом «разделяй и властвуй!», при котором сложный механизм разбивается на детали, которые в отдельности трудностей не представляют. Так продолжается и до сих пор. Однако очень часто целое больше суммы слагаемых. Мы знаем много деталей, даже пытаемся построить какие-то фундаментальные теории на их основе. Но ни одна теория за последнюю сотню лет не выдержала напора фактов.

Сейчас уже выявлена связь многих генетических заболеваний с конкретными дефектами в хромосомах. Установлены, какие конкретно мутации приводят, например, к шизофрении или к какой-то конкретной форме умственной или физической отсталости. «Беда не приходит одна», и часто мы наблюдаем целый ворох разнообразных дефектов. Казалось бы, ну почему не вернуть нормальный порядок нуклеиновых оснований и избавить родителей и ребенка от страданий? Но изменения в одном гене обязательно повлекут за собой каскад изменений как фенотипических, так, возможно и генотипических. Даже если нам удастся вылечить конкретного человека, мы не знаем, чем нам это аукнется в последующих поколениях. Мало того, тут снова возникают проблемы этического характера. Очень часто мутации, приводящие к умственным расстройствам, одновременно отвечают за развитие феноменальных способностей к музыке, математике, рисовании и так далее. Мы не знаем, вырастет из ребенка шизофреник или гений. И, «вылечивая» такого ребенка, мы, возможно, лишаем человечество новых Моцартов, Эйнштейнов, Рембрантов.

Чем больше мы узнаем, тем больше мы понимаем, как много остается для нас тайной. Развитие науки можно сравнить с шаром, растущим в бесконечном пространстве. Поверхность шара – наши знания, окружающее пространство – то, что пока для нас тайна. И чем больше растет этот шар, тем больше плотность соприкосновения наших знаний с неведомым и тем больше мы понимаем, как мало нам еще известно.

Возьмем конкретный пример. До последнего времени считалось. Что механизм определения пола у высших млекопитающих полностью изучен и вероятность появления одного из двух полов составляет 50%. Но неожиданно стало появляться все больше и больше данных, показывающих, что это не совсем так.

В настоящее время существует три крупных области исследований, указывающих на то, что определение пола ребенка – отнюдь не случайный процесс.

Во-первых, есть доказательства того, что у многих не млекопитающих высока степень адаптивного контроля выбора пола потомства. К таким животным относятся рыбы, птицы, насекомые. И хотя механизмы регуляции у разных животных различаются, многие ученые-теоретики считают, что у млекопитающих тоже должны быть средства, помогающие контролировать выбор пола детенышей.

Во-вторых, современный взгляд на определение пола не соответсвует известным различиям в соотношении полов у потомства млекопитающих. Более сорока крупных исследований показали, что существуют статистически значимые отклонения от традиционного 100:100 распределения, хотя недавно и было показано, что в сперме количество сперматозоидов, несущих X и Y хромосомы равное. Несмотря на то, что эти результаты пока еще не могут быть до конца интерпретированы, последние исследование показали наличие зависимости соотношения полов от условий среды, статуса женщины и состояния организма. У человека соотношение полов при рождении составляет 105 мальчиков на 100 девочек.

И, наконец, отмечается высокая степень корреляция состояния матери и пола потомка. Это легко объяснимо тем, что у матери существует очень сильный и глубокий контакт с ребенком до и после рождения. Хотя нет еще достаточно убедительных аргументов и точных исследований, предполагается, что у женщины-лидера с одной стороны в крови высок уровень тестостерона, а с другой стороны выше вероятность рождения мальчика.

Кроме этого, так как уровень тестостерона у женщин возрастает под действием хронического стресса, можно предположить, что это приводит к физиологическим отклонениям, которые в свою очередь вызывают учащение рождения мальчиков. Таким образом должно устанавливаться равное соотношение полов к моменту полового созревания, так как потери среди мужчин выше, в связи с их большей уязвимостью.

Возможный механизм уже был описан в общих чертах. Гипотеза состоит в том, что во время каждого овариального цикла овоцит развивается в условиях повышенного или повышенного содержания тестостерона в фолликулярной жидкости. Возможно, что овоцит, развивавшийся в условиях повышенной концентрации тестостерона больше предрасположен к принятнию Y-несущего сперматозоида

Какое отношение имеет это для генной инженерии? Дело в том, что если эти гипотезы верны, то логически вытекает, что женщина-лидер как физически, так и психологически больше приспособлена к воспитанию мальчика. И это будет проявляться с первых дней после рождения.

В нормальных условиях уровень тестостерона постоянно колеблется, и пол ребенка будет зависеть от того, в какую фазу произошло зачатие, то есть вероятность рождения мальчика и девочки одинакова. Но если уровень тестостерона у женщины постоянно приближен к какому-либо из крайних значений, то она может в течении всей жизни рожать детей только одного пола.

Из всего этого вытекает, что в определенное время в определенном месте женщина предрасположена к выращиванию ребенка только одного конкретного пола.

Если такая предрасположенность является результатом эволюции, то мы должны сто раз подумать, перед тем как пытаться пойти поперек природы. Что будет, если женщину, адаптированную к зачатию мальчика заставят растить девочку? В настоящее время мы не знаем, какие последствия нас ожидают.

Можно ли искусственно выбирать пол – очень актуальный вопрос. Ведь это тот случай. Когда технология уже готова и только ждет разрешения к запуску. При искусственном оплодотворении, сперматозоиды проходят проверку на наличие некоторых «больных» генов. В ходе этой проверки они делятся на две группы – Х -несущие и Y-несущие. Нам же остается только решить, смешивать эти две группы обратно или нет.