1-дәріс. Генетика тұқымқуалаушылық және өзгергіштік ғылымы

Егер бактерияда бірдей ұрықтану факторлары болса ( F⁺, F⁺ немесе F^-, F^-) онда бұндай клеткалар будандастырылмайды. Аталық клеткалардың жыныс факторы F⁺ аналық F^- әрпімен белгіленеді. Екі бактрияның арасында цитоплазмалық көпір орналасса аталық және аналық клеткалардың бірі донор, екіншісі реципинет ретінде қалыптасады: донор ретінде F⁺ факторы бар клетка, реципиент ретінде аналық жыныс факторы бар бактерия болады.

Ұрықтану факторының (F⁺) құрамы ДНК – дан тұрады, ол клетканың цитоплазмасында жеке орналасады, немесе кейбір жағдайларда бактерия геномымен тығыз байланысты. транскрипция

Аналық бактериялар донордың F⁺ факторымен жалғасқаннан кейін, аталық клетканың қасиетіне ие болады да, өзі донорлық міндет атқара алады.

Адам өмірінде микроорганизмдер маңызды рөл атқарады. Олардың көпшілігі өнеркәсіп пен медицинаның көптеген салаларында пайдалануға қажетті заттарды түзеді. Тамақ өндірісінде нан пісіру, спирт, кейбір органикалық қышқылдар, шарап жасау сияқты көптеген салалары микроорганизмдердің қызметіне негізделген.

Адамның денсаулығы үшін антибиотиктердің маңызы орасан зор. Олар ауру туғызатын микробтар мен вирустарды жоятын, кейбір микробтар мен саңырауқұлақтардың тіршілік әрекетінің өнімдері – ерекше заттар болып табылады. Антибиотиктерді қолданудың арқасында көптеген аурулар біршама айығып кетіп жүр, ал ертеректе осы аурулардан шығын көп болатын. Адам өміріне біршама қажетті витаминдерді өсімдіктер мен кейбір микроорганизмдер жасап шығарады.

Микроорганизмдердің неғұрлым өсімтал формаларын алу үшін селекция әдістерін қолданылады. Адам пайдаланатын өнімдерінің белгілі бір түрін тез синтездейтін микроорганизмдер түрлері сұрыптау арқылы шығарылады. Тұқым қуалайтын өзгергіштік (мутация) микроорганизмдерге де тән қасиет. Сұрыптау арқылы олардан өте активті түрлер алады.

Тамақ өнеркәсібінде пайдаланатын микроорганизмдерге де селекция жұмысы кең түрде қолданылуда. Мысал: қамырды ашытатын ашытқы саңырауқұлақтарының қасиеттері де әртүрлі болып келеді. Селекция арқылы нанның сапасын жақсартуға мүмкіндік беретін, өте өнімді формалар шығарылуда.

Адамды ауруға ұшырататын микроорганизмдер мен вирустар да мутациялар болады. Кейбір жағдайларда микробтың зиянды әсерін күшейтіп, адам өміріне қауіпті жағдайлар туғызады.

Биотехнология алғашқы кезеңде негізінен микробиологияның және энзимологияның жетістіктеріне сүйенсе, ал соңғы 20-25 ол өзінің дамуына итеруші күшті қарқынды дамып келе жатқан биологиялық ғылымдардан алды, олар : вирисология, молекулалық және клеткалық биология, молекулалық генетика.

Бүгінгі XXI ғасырға ұмтылған биотехнология ғылыми техникалық процестің алдынғы қатарынан орын алады.

Ген инжериясының әдістерінің ашылуы биотехнология дген ерекше өндіріс түрінің дүниеге келуіне ықпал жасап отыр. Биотехнология дегеніміз микроорганизмдердің және таза белоктардың (ферменттердің) жүргізілетін биологиялық процестердің халық шаруашылығының әртүрлі саласында пайдалану.

Мал шаруашылығында алдағы 10-15 жыл ішінде биотехнологияның алға ьасуы (процессі) гендік, клеткалық және эмбриогенетикалық инжернерияның дамуымен анықталмақшы.

Ген инженериясы молекулалық биологияның жаңа саласы. Ол лабораториялық әдіс арқылы гентикалық жүйелер мен тұқымы өзгерген организдерді алу жолын қарастырады. Ген инжерниясы пайда болуы гентиканың, биохимияның микробиологияның және молекулалық биологяның жетістігімен байланысты. Бұл атауды екі түрі қолданылады:"гентикалық инженерия " және "ген инженериясы ". Соңғы кезде “генетикалық инженерия” жалпылама түрде қолданып жүр, ген инженериясы да осының ішіне кіреді.

Молекулалық биология ғылымы жетістіктерінің нәтижесінде пайда болған ген инженериясы организмның бағалы қасиетің сақтап қана қоймай оған жаңа саңалы қасиет те бере алады. “Инженерия” дген атау құрастылуы деген мағананы білдіреді. Яғни, ген инженериясы дегенді ген құрастыру деп түсіну қажет. Ген инженериясының дәуірі басталмай тұрып 1969 жылы Г. Корана нуклеотидтерді белгілі бір жүйемен орналасқан ДНК синтезінің методологиясының жасап берген. Жекелеген дербес амин қышқылы – ашытқының аланинді тРНҚ-ның бастауыш жүйесі ашылғаннан кейін Г. Корана химиялық жолмен осы РНҚ –ның көлемі 77 поленклеотидтен тұратын кодтық бөлігін синтездеді. Кейінен 1979 жылы осы лобороторияда ішектаяқшасының териозиндік тРНҚ-сы синтезделеді және ол Т4 бактериофагының құрамына енгізіліп, бактерияның клеткасында жұмыс істейді.

Ген инженериясының дүниеге келген уақыты 1972 жылы деп есептеледі. Сол жылы Т.Берг алғаш рет пробиркадан үш түрлі микроорганизмнің ДНҚ-ларының фрагмент – терінен жаңа гибридтік ДНҚ құрастырылады. Бірақ маймылдың рак вирусын, бактериофагтың және ішек бактериясының гендік ДНҚ-ларына құрастырылған ол гибридтік ДНҚ-ның клетка ішінде ойдағыдай жұмыс істей алатындығы тексеріледі, себебі құрамында рак вирусының нуклейн қышқылы болғандықтан ғалымдар туекелге бармады.

Клеткада жұмыс істей алатын гибридтік ДНҚ-ны 1973 жылы – 74 жылдары С.Коэн мен Г.Бойер құрастырды. Ол басқа организмнен бөліп алған ДНҚ ферменттің (генін) бактерия плазмедиясының құрамына енгізді. Ол плазмериядағы бөтен гендердің алғаш рет жаңа организм ішінде жұмыс істей алатынын көрсетті. Сонын артыншы –ақ дүние жүзінің көптеген лобороторияларындағы жұмыс істей алатын әр плазмидадалар алынады. Совет елінде ондай бөтен гені бар плазмида академик А.А.Баевтың басшылығымен жасалды.

Ген инженериясы деп рекомбинаты ДНҚ-лар жасап, оларды басқа тірі клеткаларының енгізуді айтады.

Ген инеженериясы шешетін мәселелер:

1. 
   Генді химиялық немесе ферметті қолдану жолымен синтездеу;
   
2. 
   Ген әр түрлі организмнен алынған ДНҚ фрагменттерін бір-бірімен жанастыру (ДНҚ рекокомбинаттарын алу);
   
3. 
   Бөтен генді жаңа клеткаға векторлық ДНҚ арқылы жеткізу және оларды қызмет жасауын қамтамасыз ету;
   
4. 
   Клеткаларға гендерді немесе гентикалық жүйлерді енгізу жыне бөтен белокты синтездеу;
   
5. 
   Бөтен генге ие болған клеткаларды тандап алу жолдарын ашу.
   

Ген инженериясында генді мынадай әдістермен алуға болады.

1)клеткадағы ДНҚ-да тікелей кесіп алу;

2)химиялық жолмен синтездеу;

3)иРНҚ-дан кері транкриптаза арқылы синтездеу.

Бірінші әдіс ген инженериясының дамуына алғашқы кезеңінде қолданыла бастады.Белгілі организмнің ДНҚ-сые түгелімен әр түрлі рестриктазалармен үзіп, әр түрлі фрагменттер алады. Сонан соң оны клетка ішіне “арқалап” кіргізе алатын сақиналар (дөңгелек) плпзмидалармен жалғайды. Ол үшін плазмиданы да рестриктазаламен үзеді, оған әлгі ДНҚ фрагменттерін қосып жалғап, қайтадан бүтін плазмидалар алады. Бұл плазмиданың әрқайсысының құрамында бір немесе бірнеше бөтен ДНҚ (фрагментті (гені) болады. Одан кейін ол плазмидаларды қайтадан бактерияға енгізеді. Осының нәтижесінде бактерия клеткасының әрқайсысында басқа организм генінің бір түрі болады. Осындай әр түрлі бөтен гендері бар бактерия клеткаларының жиынтығы немесе колекциясын “гендер банкі”,кейде “гендер кітапханасы” деп атайды. Зертеушілер ол банкіден керек уақытында қажет белоктың генін жаңадан тауып алады. Осындай гендер банкі қазір Ресейде, Батыс Европадв және Ақш-та жасалған.

Химиялық жолмен жасанды генді 1969 жылы Г.Корана синтездегені жоғарыда айтылды. Бірақ оған жалғасқан промотор тізбегі мен транцкрипцияны аяқтайтын кодондар болмағандықтан , ол клетка ішінде ешбір қызмет көрсете алмады. Гендерді химиялық синтездеуге нуклеин қышқылдарындағы нуклеотидтердің орналасу тәртібін анықту әдісін тапқаннан кейін ғана мүмкіндік туды. Бұл әдістерді тапқан Д. Джильберт пен Ф. Сэнгер. Ғалымдар генді белоктың құрамындағы амин қышқылдарына қарап отырып ситездеуді де үйренді, (3нуклеотид – 1 кодон – 1 аимн қышқылы деген заңдылық бойынша). Соның ішінде қолдан синтезделген ен ұзын ген, адамның самототропин (өсу) гені, ол 548 нуклеотидтен тұрады. Оны ьактериядағы басқа геннің промоторына жалғастырып, плазмида арқылы бактерия клеткасына еңгізді. Сонын нәтижесінде бактерияның бір клеткасы 3 млн-ға дейін адам самототропин молекуласын жасай алатын болды. Адам инсулині де химиялық жолмен синтезделіп, әлгі айтылған жолмен бактерияға еңгізілді.

1979 жылы біздің елімізде Ю.А. Овчинников пен М.Н. Колосовтың басшылығымен ферменттердің көмегімен химиялық жолмен адам мен жануарлардың гормонының гендері- энкефалин және брадикинин синтезделді. Химиялық-ферменттік синтездеу ұқсас гендерді алу үшін ген инженериясыда кеңінен қолданылады. 1970 жылы Г.Темин, Т. Мизутанин және Д. Балтимор кері транкриптаза (ревертаза) ферментің ашты. 1972 жылы кейбір онкогенді (рак) вирустар кері транскриптаза ферментінің көмегімен РНҚ-ның үлгісінен ДНҚ синтездейтіні ашылды. Одан әрі жүргізілген зерттеулер ДНҚ көшірмесін пайда болуы үшін онкогендік вирустардың ғана РНҚ-сы емес, содай-ақ жасанды полирибонуклеотидтердің де үлгі бола алатындығын көрсетті. Бұл кез келген жеке гендерді (ДНҚ), олардың РНҚ-көшірмелерін қолдана отырып ферменттік ситездеуге болатынына мүмкіншілік туғызды. Жасанды генді рак вирустырынан бөлініап алынған кері транскриптаза ферменті арқылы синтездеу қазір кеңінен қолданылып жүр. Кері транскриптазаның РНҚ-ға қарап, оның тізбегіне сәкес ДНҚ тізбегін жасайтынын айттық. Яғни кез келген организмнен алынған РНҚ-дан оған сәйкес генді (ДНҚ-ны) жасауға болады. Ол үшін гипофиздің рак клеткаларынан бөлініп алынған самототропиннің иРНҚ-сы пайдаланылды (иРНҚ рак клеткаларында өте көп синтезделеді екен).

ССРО-да академик Ю.А. Овчинниковтың басшылығымен интерферон гені кері транскриптаза арқылы жасалып, ақырында ең көп мөлшерде интерферон жасайтын бактерия түрі алынды.

Ферментті синтездеп пробиркада РНҚ молекуласынан ДНҚ генінің комплементарлы тізбегі жазып алуды транскриция дейді. Синтездеу үшін қолданылатын жүйе құрамында ДНК-ға кіретін төрт нуклеотид, магни ионы, кері транскриптаза ферменті және генмен кодталған көшірмесін алатын иРНҚ бар. иРНҚ- дан кері транскриптаза, оған сәйкес ДНҚ тізбегін синтездеп, сол ферменттің көмегімен ДНҚ-ның екінші тізбегі синтезделеді. Осының нәтижесінде иРНҚ-да синтезделген ген құрылымына ұқсас ген пайда болады. Осы әдіспен көптеген елдің лаборотоиясында бірнеше гендер тобы алынды.

В.А. Энгельгардтың басшылығымен “ревертаза” жобасы жасалған. Осы ферменттің көмегімен гендер синтезделеді. Бұл жобаны – іске асыру үшін көптеген институттар, содай-ақ ЧССР және ГДР ғылым академиялары қатысты. Осының нәтижесінде 1974-1978 эжылдар аралығында көгершіннің, үй қоянының және адамның глобин гені, сонымен қатар тышқанның байыр митохондриясының гені, иммундық белок генінің бөлшектері және т.б. синтезделеді. Ревертазаның көмегімекн синтезделген гендердің реттеуші учаскесі болмайды, сондықтан олардың қалыпты жұмыс істеуі үшін реттеуші элементтер жалғауы керек. Ол элементер химиялық синтез жолымен немесе бактерия клеткаларыеае алынады, бұның өзіне недәуір қиындыққа соғады. Жоғарыда айтылған әдістерден басқа, генді трансдукция фагтарының көмегімен алуға болады. Бұл әдіспен 1969 жылы Дж. Беквитц бірінші рет лактоза генің (лакген) ішек таяқшасынан бөліп алды. Алайда бұл әдіс үнемі қолдануға жарамсыз, себебі ол фагты белгілі бір жерге орналастыруды тлап етеді. Сондықтан керекті гендерді тасылмалдауға жарамды ДНҚ фрагменттерін алуды басқа әдістері қолданылады. Содан кейін осы ДНҚ бөлшектерін қолайлы вегторға орналастырып көбейтіп, клетка-рецепиенттер құрамына кіргізеді.

РЕСТРИКЦИЯ ФЕРМЕНТТЕРІ (РЕСТРИКТАЗАЛАР).

Рестрикциялау- модификациялау құбылысы 50-ші жылдары байқалған болатын. Рецтрикция тоқтату деген мағананы білдіреді, ал модификация –млоекуланың белгілі топтарын химиялық жолмен немесе оларға басқа топтарды жалғау арқылы өзгерту. Рецтрикция мен модификациялау құпиясын В. Арбер ашты.

Генетикалық рекомбинацияның мәні – екі хромосоманың өзара гендерімен алмасуында. Екі немесе одан көп тұқым қуатын анықтауышы бар клетканың немесе организмнің пайда болуына әкеп соғатын кез келген процесті 1958 жылы Понтекорво рекомбинация деп атады. Міндетті түрде сүтқоректілердің жыныс клеткалары пайда болғанда, мейоздың барысында гомологты хромосомалар гендерімен алмасады (кросирговер – айқасу құбылысы). Осы алмасулар ұрпақтарға берілетін тұқым қуатын белгілердің араласуын түсіндіруге мүмкіндік береді.

Гендер алмасуын, сондай-ақ клеткаға “бөтен” генді енгізуді генетикалық рекомбинация арқылы in vitro – организмнен тыс жасауға болады.

1972 жылы П. Бергтің лабораториясында (АҚШ, Станфорд университеті) ең бірінші рекомбинанты деп аталатын будан ДНҚ молекуласы алынды. Оның құрамына лямбда (λ) бактериофагының геномы мен S V 40 вирус геномы кірді.

Организмнен тыс рекомбинация әр түрдің ДНҚ-ларын (табиғи немесе жасанды) бөліп алып, оларды бір- бірімен қоуды, содан кейін осы рекомбинантты ДНҚ-ны тірі клеткаға енгізіп, жаңа белгінің пайда болуын мысалы, ерекше белок синтезін жүргізуді көздейді.

Мұндай эксперименттердің мақсаты ДНҚ-дағы белгілі бір нуклеотидтер жүйелігін ”векторға“ енгізіп, кейін клетканың ішінде жұмыс істеткізу. ДНҚ фрагментін вектормен жалғастыру төмендегідей жолдармен жеткізіледі:

1. 
   ректрикциялық эндонуклеазалардың қатысуымен пайда болған ДНҚ-ның жабысқақ ұщтары арқылы;
   
2. 
   ДНҚ-ның әрбір тізбегіне қосымша полинуклеотидтер фрагменттерін синтездеу (поли- А, поли- Т);
   
3. 
   Т4-лигаза ферментінің көмегімен тұқыл ұштарын жалғау. 1974 жылдан бастап рекомбинантты ДНҚ алу жұмыстары көптеп жүргізіледі.
   

ВЕКТОРЛАР – ГЕН ТАСЫҒЫШТАР. Осы уақытқа дейін бөтен генді клетка ішіне алып баратын плазмида дедік. Сондай қызмет атқаратын ДНҚ түрлерін векторлар дейді. Вектор бағыттағыш деген мағынаны білдіреді. Векторды да қолдан құратырады және оған мынадай талаптар қойылады:

1. 
   вектор клетка ішіне бөтен генді алып кірген соң клеткамен бірге немесе өз алдына бөлініп көбейе алатын болуы керек, сонда ғана ол ұрпақ клеткаларға беріледі. Немесе ол ұрпақ клеткаға беріліп отыруы керек;
   
2. 
   генетикалық белгілері болуы керек, сол белгілер бойынша оның қайтадан клетка ішіне енгенін анықтайды;
   
3. 
   Құрамында рестриктазалар тауып үзе нуклеотидтер тізбегі болуы керек және рестриктазамен бір реет үзіліп жалғанғаннан кейін ол репликацияланатын (еселенетін) қабілетін (репликация нүктесін) жоғалтпауы тиіс;
   
4. 
   Құрамыеа кірген геннің клетка ішінде дұрыс реттеліп жұмыс істеуін қамтамасыз ететін болуы керек;
   
5. 
   Оның клетка ішіндегі көшірмесі (молекулаларының саны) жетерліктей көп болуы қажет.
   

Бактерия клеткасына генді енгізу үшін вектор ретінде өзінің плазмидасы, кейде олардың фагының ДНҚ-сы қолданылады. Плазмида клетка хромосомындағы ДНҚ-ға тәуелсіз болады, өзінше бөлініп көбейе алады және оның клеткадағы көшірмесі 20 – ға дейін жетеді. Ал ерекше жағдай жасап өсіргенде векторлардың көшірмесін тіптен мыңға дейін жеткізуге болады.

Лямбда фагының негізінде фагтық векторды 1974 жылы Эдинбург университетінде Н. Муррей және К. Муррей ашты. Осыдан жарты жыл кейін Тихомиров т.б. ССРО-да λ – векторды алды. Эукариоттар вирусынан вектор ретінде онкогендік вирус S V 40 қана қолданылады.

ГЕНДІ ОРГАНИЗМ – РЕЦЕПИЕНТ

КЛЕТКАЛАРЫНА ТАСЫМАЛДАУ

Плазмидага енгізілген гендерді рецепиент клеткасына тасымалдау трансформациясына

немесе конъюгация адісі аркылы журеді.

Әдістеріне әр түрлі болғанмен кез-келген ген-инженерлік жұмысының негізі мынада: 1)Векторлық сақиналы ДНҚ – ны (плазмиданы) рестриктаза ферментімен үзіп,оның созылған формадағы молекеуласын алады.

2) Оны бактерияға енгізетін бөтен генмен (мычалы интерферон гені) араластырып, оларды шеңбер бойымен бір – бірімен жалғап , гибридтік молекула жасады.

Ол үшін бір – бірімен жалғасатын плазмида да, бөтен генде бір түрлі рестриктазамен кесілген болуы керек . Сонда ғана олардың ұштары бір- біріне жалғана алады.

Көріп отырғанымыздай, олардың ұштары бір-бірімен қайта байланыса алады. Кейбір рестриктазалар ДНҚ фрагменттерін осындай жабысқыш етпей шорт кеседі. Генді бүлдірмей бүтін алу үшін кейде сондай рестриктазаларды лажсыз пайдалануға тура келеді. Бұл жағдайда жабысқыш ұштарды қолдан жасайды. Нуклеотидтрансфераза (ұштық трансфераза) ферменті арқылы ДНҚ фрагментерінің екі тізбегінің бір тектес ұштарына (мысалы 3'-ұшына) бірнеше Г- нуклео- тидтерін, ал вектордың тізбектерінің осындай ұштарына соншама Ц- нуклеотидтерін жалғайды. Осындай жабысқыш ұштар пайда болады, немесе төрт кесілген ДНҚ фрагментіне де вектордың ұшына да синтетикалық қос тізбек жалғайды. Ол тізбекті линкер (жалғастырушы) деп атайды. Сонан соң линкерді танитын, оны жабысқыш етіп кесетін рестриктазаны тауып алып кеседі. Осылайша бұл жолмен де жабысқақ ұштар алынады.

Кеңінен қолданылатын ресриктаза ДНҚ-ны былай үзеді: