Сумма биотехнологии. Руководство по борьбе с мифами о генетической модификации растений, животных и людей
Шрифт:
Теперь у нас в романе «Война и мир» появились чистокровные марсиане. «Андрей Болконский проснулся и выглянул в окно. За окном находился огромный металлический цилиндр. Большая сероватая круглая туша, величиной, пожалуй, с медведя, медленно, с трудом вылезала из цилиндра», а продолжение вы знаете.
Давайте теперь усложним задачу. Мы хотим, чтобы флуоресцентные белки медузы появлялись в тех бактериях, которых мы покормили сахаром, а точнее конкретным видом сахара — лактозой. Для этого нам потребуется несколько дополнительных генетических конструкций, которые мы позаимствуем у кишечной палочки. Сначала мы добавляем к гену флуоресцентного белка регуляторную последовательность — оператор. Когда оператор свободен, синтез белка происходит, а когда оператор заблокирован, зеленый белок не появляется.
Мы выбрали не простой репрессор. Как у любого героя романа, у него есть слабость — он любит лактозу и изменяет с ней оператору. Когда в клетке есть лактоза, репрессор связывается с этим сахаром. Оператор остается одиноким, и РНК-полимераза спокойно синтезирует РНК. Когда лактозы нет, репрессор возвращается к оператору и блокирует синтез РНК нашего гена. Поэтому клетка будет светиться зеленым, если в среде есть лактоза, но не будет светиться, если лактозы нет. Так мы получили светящийся датчик лактозы в виде генетически измененной бактерии. Остается лишь поместить бактерию под специальный микроскоп.
Ген белка репрессора и последовательность оператора были лишь обнаружены человеком, но придуманы они были природой. Кишечная палочка использует описанную выше систему, для того чтобы регулировать работу некоторых собственных генов. Когда лактозы много, кишечная палочка производит белок, который расщепляет лактозу на глюкозу и галактозу — два других сахара. Когда лактозы нет, экономной бактерии не нужен этот фермент, и белок-репрессор помогает остановить его синтез.
Давайте и в нашей версии романа «Война и мир» поставим оператор с репрессором. Скопируем перед описанием сцены с марсианами длинный авторский монолог из четвертого тома. Обычный человек, дойдя до этого монолога, уснет и ничего не узнает про марсиан. Но если он вооружится чашечкой крепкого кофе, возможно, сон удастся отогнать, и читатель осилит текст до конца. В нашей конструкции кофе играет роль лактозы у бактерий, сон — роль репрессора, а монолог — роль оператора, навлекающего сон. Нет кофе — нет истории про марсиан.
Можно предложить и другое сравнение. ДНК — это рельсы, по которым едет поезд — молекула РНК-полимеразы. Оператор — это место, где установлен шлагбаум, репрессор — это сам шлагбаум, а роль лактозы выполняет работник, управляющий шлагбаумом. Этот работник — человек важный, поэтому, когда его нет на службе, шлагбаум на всякий случай опущен и поезд вынужден стоять и ждать неопределенное время. Но когда работник возвращается, шлагбаум поднимается. Единственное биологически важное уточнение заключается в том, что репрессор на самом деле не столько мешает РНК полимеразе двигаться по ДНК, сколько не дает ей «встать на рельсы», соединиться с промотором. Поэтому промотор и оператор, как правило, находятся очень близко.
Благодаря различным операторам и репрессорам бактерии могут включать и выключать свои гены в зависимости от условий окружающей среды, от наличия питательных веществ, температуры и так далее. Когда мы говорим о многоклеточных организмах, например о растениях или животных, все становится несколько сложнее. Во всех клетках взрослого растения приблизительно одинаковая ДНК (с небольшими отличиями из-за случайных мутаций), но клетки могут быть совершенно разными. Одни клетки расположены в листьях, и им нужно производить много белков, участвующих в фотосинтезе. Другие расположены в стебле и отвечают за транспорт питательных веществ. Третий тип клеток формирует цветки и должен быть яркоокрашенным, чтобы привлекать опылителей. Возможны десятки и даже сотни разных типов клеток, в которых работают разные гены. И это все должно как-то саморегулироваться.
Прежде чем РНК-полимераза сможет начать синтез РНК какого-то гена в эукариотической клетке, с его промотором должно связаться множество белков, которые называются
Личинка колорадского жука питается листьями картошки. Есть ген бактерии, кодирующий токсичный для личинки белок. Мы можем перенести этот ген в геном картошки и поместить перед ним универсальный промотор, такой, чтобы он работал во всех клетках растения. Но зачем заставлять картошку тратить энергию и питательные вещества на производство этого белка там, где он не нужен, например в клубнях, которые вредители не едят? Мы можем узнать, какие гены работают исключительно в листьях картошки, и позаимствовать промоторы этих генов. Если поместить под такой промотор ген токсичного для вредителей белка и внедрить эту конструкцию в геном растения, мы добьемся того, что производиться наш белок будет только в листьях, но не в клубнях. Мы получаем гораздо более точный и экономный метод борьбы с вредителями.
Еще один важный механизм регуляции работы генов эукариот — РНК-интерференция. Изначально это явление было открыто у круглых червей Caenorhabditis elegans, но впоследствии оказалось, что оно присутствует повсеместно в клетках всевозможных эукариот. Молекула РНК, в отличие от ДНК, как правило, одноцепочечная. Не потому, что РНК не может образовывать двойную цепочку, а потому, что гены почти всегда читаются только в одну сторону. Поэтому комплементарных друг другу молекул РНК, способных соединиться вместе, почти не образуется. Однако двухцепочечная РНК встречается у некоторых вирусов, поэтому клетки с опаской относятся к таким молекулам и пытаются уничтожать все, что на них похоже.
Для этого клетки многих эукариот производят белок, который называется Dicer. Он способен распознавать длинные двухцепочечные молекулы РНК и разрезать их на короткие фрагменты длиной около двадцати нуклеотидов. Эти короткие двухцепочечные молекулы расплетаются, и если одна из цепочек захватывается комплексом, который называется RISC, то он, подобно полицейскому, ищущему преступников по отпечаткам пальцев, рыщет в поисках комплементарных захваченному РНК-фрагменту молекул РНК и разрезает их на части.
Система РНК-интерференции стала прекрасным методом для изучения работы генов и генной инженерии, так как она позволяет на время избирательно выключать гены, работающие в клетке. Технология получила название «нокдаун» — в противопоставление технологии нокаут, когда ген выключается навсегда в результате его удаления или повреждения мутациями.
Допустим, мы хотим узнать, что будет с круглым червем, если в нем временно выключить некий ген, который называется HIF-i. Предположим, мы ничего не знаем про этот ген, кроме его нуклеотидной последовательности. Мы можем синтезировать фрагменты РНК, совпадающие с какой-то частью РНК этого гена, и фрагменты, комплементарные им. Смешав эти два типа фрагментов, мы получим двухцепочечные молекулы РНК. Если мы вколем их круглому червю, RISC в его клетках решит, что это нападение вируса, и начнет разрушать все похожие последовательности РНК, то есть РНК гена HIF-i. Не будет РНК — не будет синтеза белка. Было показано, что круглый червь с подавленной работой гена HIF-i живет почти на 20 % дольше своих собратьев [251] .
251
Chen D. et al.: HIF-1 modulates dietary restriction-mediated lifespan extension via IRE-1 in Caenorhabditis elegans. PLoS Genet 2009, 5(5):e1000486.