Реферат: Клеточная инженерия

/>Клеточная инженерия/> Клеточная инженерия у человека />и животных

Предпосылкой к развитию клеточной инженерии у человека иживотных явилась разработка методов культивирования их соматических клеток наискусственных питательных средах, а также получение гибридов соматическихклеток, включая межвидовые гибриды. В свою очередь, успехи в культивированиисоматических клеток оказали влияние на изучение половых клеток и оплодотворениеу человека и животных. Начиная с 60-х гг., в нескольких лабораториях мира быливыполнены многочисленные эксперименты по пересадке ядер соматических клеток вяйцеклетки, искусственно лишенные ядер. Результаты этих экспериментов частобыли противоречивы, но в целом они привели к открытию способности клеточныхядер обеспечивать нормальное развитие яйцеклеток

На основе результатов изучения развития оплодотворенныхяйцеклеток в 60-е гг. были начаты также исследования по выяснению возможностиоплодотворения яйцеклеток вне организма матери. Очень быстро эти исследованияпривели к открытию возможности оплодотворения яйцеклеток сперматозоидами впробирке и дальнейшего развития образованных таким путем зародышей приимплантации их в матку женщины. Дальнейшее совершенствование разработанных вэтой области методов привело к тому, что рождение «пробирочных» детейстало реальностью. Уже к 1981 г. в мире было рождено 12 детей, жизнь которымбыла дана в лаборатории, в пробирке. В настоящее время этот раздел клеточнойинженерии получил большое распространение, а количество «пробирочных»детей составляет уже десятки тысяч. В нашей стране работы по получению «пробирочных»детей были начаты в 1986 г. В 1993 году была разработана методика получениямонозиготных близнецов человека in vitro, путем разделения эмбрионов на бластомеры и доращиванияпоследних до 32 клеток, после чего они могли быть имплантированы в маткуженщины.

Под влиянием результатов, связанных с получением «пробирочных»детей, у животных тоже была разработана технология, получившая названиетрансплантации эмбрионов. Она связана с разработкой способа индукцииполиовуляции, способов искусственного оплодотворения яйцеклеток и имплантациизародышей в организм животных — приемных матерей. Суть этой технологии сводитсяк следующему. Высокопродуктивной корове вводят гормоны, в результате чегонаступает полиовуляция, заключающаяся в созревании сразу 10-20 клеток. Затемяйцеклетки искусственно оплодотворяются мужскими половыми клетками в яйцеводе. На7-8-й день зародышей вымывают из матки и трансплантируют в матки другим коровам(приемным матерям), которые затем дают жизнь телятам-близнецам. Телятанаследуют генетический статус своих подлинных родителей.

Другой областью клеточной инженерии у животных являетсяполучение трансгенных животных. Наиболее простой способ получения такихживотных заключается во введении в яйцеклетки исходных животных линейныхмолекул ДНК. Животные, развившиеся из оплодотворенных таким образом яйцеклеток,будут содержать в одной из своих хромосом копию введенного гена. Больше того,они и будут передавать этот ген по наследству. Более сложный способ получениятрансгенных животных разработан на мышах, различающихся по окраске шерстногопокрова и сводится к следующему. Вначале из организма беременной серой мышиизвлекают четырехдневных зародышей и измельчают их на отдельные клетки. Затемиз эмбриональных клеток извлекают ядра, переносят их в яйцеклетки черных мышей,предварительно лишенные ядер. Яйцеклетки черных мышей, содержащие чужие ядра,помещают в пробирки с питательным раствором для дальнейшего развития. Развившиесяиз яйцеклетки черных мышей зародыши имплантируют в матки белых мышей. Ввыполненных по этой методике экспериментах от пяти белых мышей («приемныхматерей») было получено 36 мышей, среди которых трое были серыми. Такимобразом, в этих экспериментах удалось получить клон мышей с серой окраскойшерстного покрова, т.е. клонировать эмбриональные клетки с заданными свойствами.В § 35 мы рассмотрели результаты оплодотворения искусственно лишенных ядеряйцеклеток овец ядерным материалом соматических клеток животных этого же вида. Вчастности, из яйцеклеток овец удаляли ядра, а затем в такие яйцеклетки вводилиядра соматических клеток (эмбриональных, плодовых или клеток взрослых животных),после чего оплодотворенные таким образом яйцеклетки вводят в матки взрослыховец. Рождающиеся ягнята оказались идентичными овце-донору. Как было отмечено в§ 35, такое получение трансгенных животных представляет собой прямой путьклонирования животных с хозяйственно-полезными признаками, включая особейопределенного пола.

Трансгенные животные получены также при использованииисходного материала, принадлежащего разным видам, в частности, известен способпередачи гена, контролирующего гормон роста, от крыс в яйцеклетки мышей, а такжеспособ комбинирования бластомеров овцы с бластомерами козы, что привело кполучению гибридных животных (ковец). Эти эксперименты указывают на возможностьпреодоления видовой несовместимости на самых ранних этапах развития. Особеннозаманчивые перспективы открываются (если видовая несовместимость будетпреодолена полностью) на пути оплодотворения яйцеклеток одного вида ядрамисоматических клеток другого вида. Речь идет о реальной перспективе полученияхозяйственно-ценных гибридов животных, которых невозможно получить путемскрещиваний.

Следует отметить, что ядерно-трансплантационные работы ещене очень эффективны. Эксперименты, выполненные на земноводных и млекопитающих,в целом показали, что их результативность является небольшой, причем оназависит от несовместимости между донорскими ядрами и реципиентными овоцитами. Крометого, препятствием на пути к успехам являются также образующиеся хромосомныеаберрации в трансплантированных ядрах в ходе дальнейшего развития, которыесопровождаются гибелью трансгенных животных.

На стыке работ по изучению гибридизации клеток ииммунологических исследований возникла проблематика, связанная с получением иизучением так называемых моноклональных антител. Как отмечено выше (см. § 96),антитела, продуцируемые организмом в ответ на введение антигена (бактерии, вирусы,эритроциты и т.д.), представляют собой белки, называемые иммуноглобулинами исоставляющие фундаментальную часть защитной системы организма противвозбудителей болезней. Но любое чужеродное тело, вводимое в организм,представляет собой смесь разных антигенов, которые будут возбуждать продукциюразных антител. Например, эритроциты человека обладают антигенами не только длягрупп крови А (II) и В (III), но и многими другими антигенами, включаярезус-фактор. Далее, белки клеточной стенки бактерий или капсида вирусов такжемогут действовать в качестве разных антигенов, вызывающих образование разныхантител. В то же время лимфоидные клетки иммунной системы организма обычнопредставлены клонами. Значит, даже только по этой причине в сыворотке кровииммунизированных животных антитела всегда представляют собой смесь, состоящуюиз антител, продуцируемых клетками разных клонов. Между тем для практическихпотребностей необходимы антитела только одного типа, т.е. необходимы такназываемые моноспецифические сыворотки, содержащие антитела только одного типа,или, как их называют, моноклональные антитела.

В поисках методов получения моноклональных антителшвейцарскими исследователями в 1975 г. был открыт способ получения гибридовмежду лимфоцитами мышей, иммунизированных тем или иным антигеном, икультивируемыми опухолевыми клетками костного мозга. Такие гибриды получилиназвание «гибридомы». От «лимфоцитарной» части,представленной лимфоцитом одного клона, одиночная гибридома наследуетспособность вызывать образование необходимых антител, причем одного типа, аблагодаря «опухолевой (миеломной)» части она становится способной,как и все опухолевые клетки, бесконечно долго размножаться на искусственныхпитательных средах, давая многочисленную популяцию гибридом. Линии мышиныхклеток, синтезирующих моноклональные антитела, выделяют путем слияния миеломныхклеток с лимфоцитами из селезенки мыши, иммунизированной за пять дней до этогожелаемым антигеном. Слияние клеток достигают смешиванием их в присутствииполиэтиленгликоля, который индуцирует слияние клеточных мембран, а затем ввысеве их на питательную среду, позволяющую рост и размножение только гибридныхклеток (гибридом). Размножение гибридомы разводят в жидкой среде, где онирастут далее и секретируют антитела в культуральную жидкость, причем толькоодного типа, к тому же в неограниченных количествах. Эти антитела получилиназвание моноклональных.

Чтобы повысить частоту образования антител, прибегают кклонированию гибридом, т.е. к селекции отдельных колоний гибридом, способныхвызывать образование наибольшего количества антител желаемого типа. Моноклональныеантитела нашли широкое применение в медицине для диагностики и лечения рядаболезней В то же время важнейшее преимущество моноклональной технологиизаключается в том, что с ее помощью могут быть получены антитела противматериалов, которые невозможно очистить. Напротив, можно получитьмоноклональные антитела против клеточных (плазматических) мембран нейроновживотных. Для этого мышей иммунизируют выделенными мембранами нейронов, послечего их селезеночные лимфоциты объединяют с миеломными клетками, а дальшепоступают, как описано выше.

/>Клеточная инженерия урастений

Клеточная инженерия у растений заключается в получениирастений из одной клетки, а также в генетических манипуляциях с изолированнымиклетками, направленными на преобразование их генотипов.

Метод получения растений из одной клетки основан наспособности тканей растений ряда видов к неорганическому росту на специальныхискусственных средах, содержащих питательные вещества и регуляторы роста. Прикультивировании тканей растений на таких средах многие клетки оказываютсяспособными к неограниченному размножению, образуя слои (массу) недифференцированныхклеток, получивших название каллуса. Если затем каллус разделить на отдельныеклетки и продолжить культивирование изолированных клеток на питательных средах,то из отдельных (одиночных) клеток могут развиться настоящие растения. Способностьодиночных соматических клеток растений развиваться в настоящее (целое) растение,называют тотипотентностыо. Возможно, тотипотентность присуща клеткамвсех листостебельных растений. Но пока она обнаружена у растений ограниченногокруга. В частности, эта способность обнаружена у клеток картофеля, моркови,табака и ряда других видов сельскохозяйственных культур. Этот метод клеточнойинженерии растений уже вошел в широкую практику. Однако растения, развившиесяиз одной клетки, характеризуются генетической нестабильностью, что связано смутациями их хромосом. Поскольку генетическая нестабильность дает разнообразныеформы растений, они очень полезны в качестве исходного материала для селекции.

Однако растения можно получить и из так называемыхпротопластов растительных клеток, под которыми понимают клетки, у которыхискусственно с помощью гидролитических ферментов (пектиназы и целлюлазы) удаленаклеточная стенка. Обычно протопласты получают из клеток листьев, корней,лепестков, прорастающей пыльцы, плодов и других структур растений. Способностьпротопластов давать начало растениям выявлена у очень большого количества видов.

Получение растений из одной клетки или протопласта частоназывают клональным микроразмножением. Главнейшее преимущество этого методазаключается в том, что он позволяет резко сократить сроки размножения многихвидов растений, а также очень быстро воспроизвести одно и то же растение всотнях тысяч экземпляров, что имеет исключительно важное значение вселекционной работе и в получении посадочного материала, незараженного возбудителямиболезней

Генетические манипуляции, связанные с растительнымиклетками, направлены на преобразование генотипов клеток растений, что достигаютлибо путем соматической гибридизации (получения гибридных клеток) либо путемпереноса в клетки генетического материала, происходящего от других организмов. Вовсех случаях исходным материалом являются протопласты клеток.

Соматическую гибридизацию осуществляют в несколько этапов, аименно:

1. Получение и слияние протопластов, происходящих от клетокрастений разных видов.

2. Культивирование гибридных протопластов, используяселективные питательные среды.

3. Регенерация растений из соматических гибридов (гибридовпротопластов) через образование последними каллуса.

Перенос генетического материала от одних клеток к другимосуществляют путем трансформации протопластов чужеродной ДНК либо введением впротопласты чужеродной ДНК с помощью плазмид. Из образующегося затем каллусавыращивают растения, содержащие интересующий ген. Растения, полученные такимпутем, называют трансгенными растениями.

Список литературы:

1.        Биология. В 2 кн. (Учебник) Под ред. В.Н. Ярыгина (2003, 5-е изд., 432с.,3

2.        Микробиология. (Учебник) Гусев М.В., Минеева Л.А. (2003, 464с)

3.        Биология с основами экологии. (Учебник) Пехов А.П. (2000,