Молекулы рекомбинантной ДНК ( рДНК ) — это молекулы ДНК , образованные лабораторными методами генетической рекомбинации (такими как молекулярное клонирование ), которые объединяют генетический материал из нескольких источников, создавая последовательности , которые в противном случае не были бы обнаружены в геноме .
Рекомбинантная ДНК — это общее название фрагмента ДНК, созданного путем объединения двух или более фрагментов из разных источников. Рекомбинантная ДНК возможна, поскольку молекулы ДНК всех организмов имеют одинаковую химическую структуру, отличающуюся только последовательностью нуклеотидов . Рекомбинантные молекулы ДНК иногда называют химерной ДНК , поскольку они могут быть изготовлены из материала двух разных видов, например мифической химеры . Технология рДНК использует палиндромные последовательности и приводит к образованию липких и тупых концов .
Последовательности ДНК, используемые при построении рекомбинантных молекул ДНК, могут происходить из любого вида . Например, ДНК растений может быть соединена с ДНК бактерий, а ДНК человека может быть соединена с ДНК грибов. Кроме того, последовательности ДНК, которые не встречаются нигде в природе, могут быть созданы путем химического синтеза ДНК и включены в молекулы рекомбинантной ДНК. Используя технологию рекомбинантной ДНК и синтетическую ДНК, можно создать любую последовательность ДНК и ввести ее в живые организмы.
Белки, которые могут быть результатом экспрессии рекомбинантной ДНК в живых клетках, называются рекомбинантными белками . Когда рекомбинантная ДНК, кодирующая белок, вводится в организм-хозяин, рекомбинантный белок не обязательно производится. [1] Экспрессия чужеродных белков требует использования специализированных векторов экспрессии и часто требует значительной реструктуризации чужеродными кодирующими последовательностями. [2]
Рекомбинантная ДНК отличается от генетической рекомбинации тем, что первая является результатом искусственных методов, тогда как вторая представляет собой нормальный биологический процесс, который приводит к ремиксу существующих последовательностей ДНК практически во всех организмах.
Молекулярное клонирование — это лабораторный процесс, используемый для получения рекомбинантной ДНК. [3] [4] [5] [6] Это один из двух наиболее широко используемых методов, наряду с полимеразной цепной реакцией (ПЦР), используемый для управления репликацией любой конкретной последовательности ДНК, выбранной экспериментатором. Между методами есть два фундаментальных различия. Одно из них заключается в том, что молекулярное клонирование включает репликацию ДНК внутри живой клетки, в то время как ПЦР реплицирует ДНК в пробирке, свободной от живых клеток. Другое различие заключается в том, что клонирование включает вырезание и вставку последовательностей ДНК, в то время как ПЦР амплифицирует путем копирования существующей последовательности.
Для формирования рекомбинантной ДНК требуется вектор клонирования , молекула ДНК, которая реплицируется внутри живой клетки. Векторы обычно получаются из плазмид или вирусов и представляют собой относительно небольшие сегменты ДНК, которые содержат необходимые генетические сигналы для репликации, а также дополнительные элементы для удобства вставки чужеродной ДНК, идентификации клеток, содержащих рекомбинантную ДНК, и, при необходимости, экспрессии чужеродной ДНК. Выбор вектора для молекулярного клонирования зависит от выбора организма-хозяина, размера клонируемой ДНК, а также от того, будет ли и как будет экспрессироваться чужеродная ДНК. [7] Сегменты ДНК можно объединять с помощью различных методов, таких как клонирование с помощью фермента рестрикции/лигазы или сборка Гибсона . [ требуется цитата ]
В стандартных протоколах клонирования клонирование любого фрагмента ДНК по сути включает семь этапов: (1) выбор организма-хозяина и вектора клонирования, (2) подготовка векторной ДНК, (3) подготовка ДНК для клонирования, (4) создание рекомбинантной ДНК, (5) введение рекомбинантной ДНК в организм-хозяин, (6) отбор организмов, содержащих рекомбинантную ДНК, и (7) скрининг клонов с желаемыми вставками ДНК и биологическими свойствами. [6] Эти этапы подробно описаны в соответствующей статье ( молекулярное клонирование ).
Экспрессия ДНК требует трансфекции подходящих клеток-хозяев. Обычно в качестве клеток-хозяев используются либо бактериальные, либо дрожжевые, либо клетки насекомых, либо млекопитающих (например, клетки эмбриональных почек человека или клетки CHO ). [8]
После трансплантации в организм хозяина чужеродная ДНК, содержащаяся в конструкции рекомбинантной ДНК, может быть или не быть экспрессирована . То есть ДНК может быть просто реплицирована без экспрессии, или она может быть транскрибирована и транслирована , и продуцируется рекомбинантный белок. Вообще говоря, экспрессия чужеродного гена требует реструктуризации гена для включения последовательностей, которые требуются для производства молекулы мРНК , которая может использоваться трансляционным аппаратом хозяина (например, промоутер , сигнал инициации трансляции и терминатор транскрипции ). [9] Для улучшения экспрессии эктопического гена могут быть внесены определенные изменения в организм хозяина. Кроме того, могут потребоваться изменения и в кодирующих последовательностях, чтобы оптимизировать трансляцию, сделать белок растворимым, направить рекомбинантный белок в надлежащее клеточное или внеклеточное местоположение и стабилизировать белок от деградации. [10] [11] [12]
В большинстве случаев организмы, содержащие рекомбинантную ДНК, имеют, по-видимому, нормальные фенотипы . То есть, их внешний вид, поведение и метаболизм обычно не изменяются, и единственный способ продемонстрировать наличие рекомбинантных последовательностей — это исследовать саму ДНК, как правило, с помощью теста полимеразной цепной реакции (ПЦР). [13] Существуют существенные исключения, которые обсуждаются ниже.
Если последовательности рДНК кодируют ген, который экспрессируется, то можно обнаружить присутствие РНК и/или белковых продуктов рекомбинантного гена, обычно с использованием методов ОТ-ПЦР или вестерн-гибридизации . [13] Грубые фенотипические изменения не являются нормой, если только рекомбинантный ген не был выбран и модифицирован таким образом, чтобы генерировать биологическую активность в организме хозяина. [14] Дополнительные фенотипы, которые встречаются, включают токсичность для организма хозяина, вызванную продуктом рекомбинантного гена, особенно если он сверхэкспрессирован или экспрессируется в неподходящих клетках или тканях. [ необходима цитата ]
В некоторых случаях рекомбинантная ДНК может иметь пагубные эффекты, даже если она не экспрессируется. Одним из механизмов, посредством которого это происходит, является инсерционная инактивация , при которой рДНК встраивается в ген клетки-хозяина. В некоторых случаях исследователи используют это явление для « выключения » генов с целью определения их биологической функции и важности. [15] Другим механизмом, посредством которого вставка рДНК в хромосомную ДНК может влиять на экспрессию генов, является ненадлежащая активация ранее неэкспрессированных генов клетки-хозяина. Это может произойти, например, когда фрагмент рекомбинантной ДНК, содержащий активный промотор, оказывается рядом с ранее молчащим геном клетки-хозяина или когда ген клетки-хозяина, который функционирует для ограничения экспрессии гена, подвергается инсерционной инактивации рекомбинантной ДНК. [ необходима цитата ]
Рекомбинантная ДНК широко используется в биотехнологии , медицине и исследованиях . Сегодня рекомбинантные белки и другие продукты, полученные в результате использования ДНК-технологии, можно найти практически в каждой западной аптеке, кабинете врача или ветеринара, медицинской испытательной лаборатории и биологической исследовательской лаборатории. Кроме того, организмы, которые были изменены с использованием технологии рекомбинантной ДНК, а также продукты, полученные из этих организмов, нашли свой путь во многие фермы, супермаркеты , домашние аптечки и даже зоомагазины, например, те, где продают GloFish и других генетически модифицированных животных .
Наиболее распространенное применение рекомбинантной ДНК — это фундаментальные исследования, в которых эта технология важна для большинства современных работ в области биологических и биомедицинских наук. [13] Рекомбинантная ДНК используется для идентификации, картирования и секвенирования генов, а также для определения их функции. Зонды рДНК используются для анализа экспрессии генов в отдельных клетках и во всех тканях целых организмов. Рекомбинантные белки широко используются в качестве реагентов в лабораторных экспериментах и для создания зондов антител для изучения синтеза белков в клетках и организмах. [4]
Множество дополнительных практических применений рекомбинантной ДНК можно найти в промышленности, производстве продуктов питания, медицине и ветеринарии, сельском хозяйстве и биоинженерии. [4] Некоторые конкретные примеры приведены ниже.
Химозин , обнаруженный в сычужном ферменте , является ферментом, ответственным за гидролиз κ - казеина для получения пара- κ -казеина и гликомакропептида , что является первым шагом в образовании сыра , а затем творога и сыворотки . [16] Это была первая генетически модифицированная пищевая добавка, используемая в коммерческих целях. Традиционно переработчики получали химозин из сычужного фермента, препарата, полученного из четвертого желудка телят, вскармливаемых молоком. Ученые спроектировали непатогенный штамм (K-12) бактерий E. coli для крупномасштабного лабораторного производства фермента. Этот микробиологически полученный рекомбинантный фермент, идентичный по структуре ферменту, полученному из телят, стоит дешевле и производится в больших количествах. Сегодня около 60% твердого сыра в США производится с использованием генетически модифицированного химозина. В 1990 году FDA предоставило химозину статус « общепризнанного как безопасный » (GRAS) на основании данных, показывающих, что фермент безопасен. [17]
Рекомбинантный человеческий инсулин почти полностью заменил инсулин, полученный из животных источников (например, свиней и крупного рогатого скота) для лечения диабета 1 типа . Широко используются различные препараты рекомбинантного инсулина. [18] Рекомбинантный инсулин синтезируется путем вставки гена человеческого инсулина в E. coli или дрожжи (Saccharomyces cerevisiae) [19], которые затем производят инсулин для использования человеком. [20] Инсулин, вырабатываемый E. coli, требует дальнейших посттрансляционных модификаций (например, гликозилирования), тогда как дрожжи способны выполнять эти модификации сами в силу того, что являются более сложными организмами-хозяевами. Преимущество рекомбинантного человеческого инсулина заключается в том, что после хронического использования у пациентов не вырабатывается иммунная защита против него, как инсулин животного происхождения стимулирует иммунную систему человека. [21]
Вводится пациентам, чьи гипофизы вырабатывают недостаточное количество гормона роста для поддержания нормального роста и развития. До того, как рекомбинантный ГР стал доступен, ГР для терапевтического использования получали из гипофизов трупов. Эта небезопасная практика привела к тому, что у некоторых пациентов развилась болезнь Крейтцфельдта-Якоба . Рекомбинантный ГР устранил эту проблему и теперь используется в терапевтических целях. [22] Он также использовался в качестве препарата для повышения производительности спортсменами и другими лицами. [23] [24]
Это рекомбинантная форма фактора VIII , белка свертывания крови, который вводят пациентам с гемофилией , заболеванием, связанным с кровотечением , которые не способны вырабатывать фактор VIII в количествах, достаточных для поддержания нормального свертывания крови. [25] До разработки рекомбинантного фактора VIII белок получали путем обработки больших объемов человеческой крови от нескольких доноров, что несло очень высокий риск передачи инфекционных заболеваний, передающихся через кровь , например, ВИЧ и гепатита В.
Инфекцию гепатита В можно успешно контролировать с помощью рекомбинантной субъединичной вакцины против гепатита В , которая содержит форму поверхностного антигена вируса гепатита В, который вырабатывается в дрожжевых клетках. Разработка рекомбинантной субъединичной вакцины была важной и необходимой разработкой, поскольку вирус гепатита В, в отличие от других распространенных вирусов, таких как вирус полиомиелита , не может быть выращен in vitro . [26]
Рекомбинантные антитела (rAbs) производятся in vitro с помощью систем экспрессии на основе клеток млекопитающих. Их моноспецифическое связывание с определенным эпитопом делает rAbs пригодными не только для исследовательских целей, но и в качестве вариантов терапии против определенных типов рака, инфекций и аутоиммунных заболеваний. [27]
Каждый из трех широко используемых методов диагностики ВИЧ-инфекции был разработан с использованием рекомбинантной ДНК. Тест на антитела ( ELISA или вестерн-блот ) использует рекомбинантный белок ВИЧ для проверки наличия антител , которые организм вырабатывает в ответ на ВИЧ-инфекцию. Тест ДНК ищет наличие генетического материала ВИЧ с помощью полимеразной цепной реакции с обратной транскрипцией (ОТ-ПЦР). Разработка теста ОТ-ПЦР стала возможной благодаря молекулярному клонированию и секвенированию геномов ВИЧ. Страница тестирования на ВИЧ от Центров по контролю и профилактике заболеваний США (CDC)
Золотой рис — это рекомбинантный сорт риса, который был разработан для экспрессии ферментов, ответственных за биосинтез β-каротина . [14] Этот сорт риса имеет существенные перспективы для снижения частоты дефицита витамина А у населения мира. [28] Золотой рис в настоящее время не используется, ожидая решения вопросов регулирования и интеллектуальной собственности. [29]
Были разработаны коммерческие сорта важных сельскохозяйственных культур (включая сою, кукурузу, сорго, рапс, люцерну и хлопок), которые включают рекомбинантный ген, который обеспечивает устойчивость к гербициду глифосату (торговое название Roundup ) и упрощает борьбу с сорняками путем применения глифосата. [30] Эти культуры широко используются в коммерческих целях в нескольких странах.
Bacillus thuringiensis — это бактерия, которая естественным образом производит белок ( токсин Bt ) с инсектицидными свойствами. [28] Бактерия применялась к сельскохозяйственным культурам в качестве стратегии борьбы с насекомыми в течение многих лет, и эта практика широко применялась в сельском хозяйстве и садоводстве. Недавно были разработаны растения, которые экспрессируют рекомбинантную форму бактериального белка, которая может эффективно контролировать некоторых насекомых-хищников. Экологические проблемы, связанные с использованием этих трансгенных культур, не были полностью решены. [31]
Идея рекомбинантной ДНК была впервые предложена Питером Лоббаном, аспирантом профессора Дейла Кайзера на кафедре биохимии Медицинской школы Стэнфордского университета. [32] Первые публикации, описывающие успешное производство и внутриклеточную репликацию рекомбинантной ДНК, появились в 1972 и 1973 годах в Стэнфорде и Калифорнийском университете в Сан-Франциско . [33] [34] [35] [36] В 1980 году Пол Берг , профессор кафедры биохимии Стэнфорда и автор одной из первых статей [33], был удостоен Нобелевской премии по химии за свою работу по нуклеиновым кислотам «с особым вниманием к рекомбинантной ДНК». Вернер Арбер , Гамильтон Смит и Дэниел Натанс разделили Нобелевскую премию по физиологии и медицине 1978 года за открытие эндонуклеаз рестрикции , которые улучшили методы технологии рДНК. [ необходима ссылка ]
Стэнфордский университет подал заявку на патент США на рекомбинантную ДНК 4 ноября 1974 года, указав в качестве изобретателей Герберта У. Бойера (профессора Калифорнийского университета в Сан-Франциско ) и Стэнли Н. Коэна (профессора Стэнфордского университета ); этот патент, US 4,237,224A, был выдан 2 декабря 1980 года. [37] [38] Первым лицензированным препаратом, полученным с использованием технологии рекомбинантной ДНК, был человеческий инсулин, разработанный Genentech и лицензированный Eli Lilly and Company . [39]
Ученые, связанные с первоначальной разработкой методов рекомбинантной ДНК, признали, что существует потенциальная возможность того, что организмы, содержащие рекомбинантную ДНК, будут иметь нежелательные или опасные свойства. На конференции по рекомбинантной ДНК в Асиломаре в 1975 году эти опасения обсуждались, и был инициирован добровольный мораторий на исследования рекомбинантной ДНК для экспериментов, которые считались особенно рискованными. Этот мораторий широко соблюдался до тех пор, пока Национальные институты здравоохранения (США) не разработали и не выпустили официальные руководящие принципы для работы с рДНК. Сегодня молекулы рекомбинантной ДНК и рекомбинантные белки обычно не считаются опасными. Однако сохраняются опасения относительно некоторых организмов, которые экспрессируют рекомбинантную ДНК, особенно когда они покидают лабораторию и попадают в окружающую среду или пищевую цепочку. Эти опасения обсуждаются в статьях о генетически модифицированных организмах и спорах о генетически модифицированных продуктах питания . Кроме того, существуют опасения относительно побочных продуктов в биофармацевтическом производстве, где рекомбинантная ДНК приводит к образованию определенных белковых продуктов. Основной побочный продукт, называемый белком клетки-хозяина , вырабатывается системой экспрессии хозяина и представляет угрозу для здоровья пациента и окружающей среды в целом. [40] [41]