2. Репортерные гены, кодирующие
нейтральные для клеток белки,
наличие которых в тканях может
быть легко тестировано.
Чаще всего в качестве
репортерных используются гены
β-глюкуронидазы (GUS), зеленого флюоресцентного
белка (GFP), люциферазы (LUC), хлорамфениколацетилтрансферазы
(CAT). К настоящему времени из
этого арсенала наиболее часто
используют гены GUS и GFP и, в
меньшей степени, LUC и CAT. Используемый
в настоящее время как репортерный
ген GUS является модифицированным
геном из Escherichia coli, кодирующим β-глюкуронидазу
с молекулярной массой 68 кД. GUS активен
в широком диапазоне условий
среды с оптимумом при рН 5-8
и 37°С. Он может гидролизовать
обширный спектр природных и
синтетических глюкуронидов, что
позволяет подбирать соответствующие
субстраты для спектрофотометрического
или флюориметрического определения
активности фермента, а также
для гистохимического окрашивания
тканей in situ (например, в синий цвет).
Фермент достаточно стабилен: он
устойчив к нагреванию (время
полужизни при 55°С составляет
около 2 ч) и к действию детергентов.
В процессе замораживания-оттаивания
потери активности GUS не происходит.
В составе химерных белков, созданных
генно-инженерными методами, GUS обычно
сохраняет свою функциональную
активность. В живых клетках белок
GUS также весьма стабилен и
активен от нескольких часов
до нескольких суток.
GFP (green fluorescent protein - зеленый
флюоресцентный белок, или белок
зеленой флюоресценции) был обнаружен
Shimomura с соавт. в 1962 г. у люминесцирующей
медузы Aequorea victoria. Ген GFP был клонирован
в 1992 г. Prasher и соавт., и уже через
несколько лет началось активное
использование этого гена как
репортерного в работах с самыми
разными про- и эукариотическими
организмами. В настоящее время
ген GFP применяется в сотнях
работ во всем мире, и число
их стремительно нарастает. Столь
быстрый рост вызван особыми
свойствами белка GFP, а именно его способностью
флюоресцировать в видимой (зеленой) области
спектра при облучении длинноволновым
УФ. Эта флюоресценция обусловлена непосредственно
белком, для ее проявления не требуется
субстратов или кофакторов. Благодаря
этому свойству ген GFP является очень перспективным
репортерным геном, позволяющим проводить
разнообразные прижизненные (недеструктивные)
исследования с трансгенными организмами.
Многочисленные производные
GFP получили общее название AFP (autofluorescent
proteins - автофлюоресцентные белки). Из
морской анемоны Discosoma sp. недавно
выделен еще один белок DsRed,
флуоресцирующий в красном свете.
Еще несколько аналогичных флюоресцирующих
белков было выделено в самое
последнее время учеными Российской
академии наук из различных
коралловых полипов порядка Anthozoa.
Он может быть денатурирован
очень высокой температурой, крайними
значениями рН или сильными
восстановителями типа Na2SO4. При возвращении
к физиологическим условиям GFP в
значительной степени восстанавливает
способность к флюоресценции.
В составе химерных белков, созданных
генноинженерными методами, GFP обычно
сохраняет свою функциональную
активность. В живых клетках белок
GFP также очень стабилен.
CAT – гены отвечают
за синтез хлорамфениколацетилтрансферазы
(выделены из Escherihia coli). Этот фермент
катализирует реакцию переноса
ацетильной группы от ацетил-КоА
к хлорамфениколу. Определяется
гистохимически, по изменению окраски
ткани при добавлении соответствующего
субстрата.
LUC – ген кодирует фермент
люциферазу (клонирована из бактерий
и светлячка). Она вызывает свечение
трансформированных клеток. Бактериальный
фермент состоит из двух субъединиц.
Для определения активности ферментов
необходимо специальное оборудование
- флуориметр и цифровая видеокамера
с амплификатором светового сигнала.
Фермент теряет активность при
действии детергентов и повышенной
температуры. Замена селективных
генов на репортерные при отборе
трансгенных растений часто весьма
желательна, так как возможность
потенциального риска для окружающей
среды и здоровья человека
при использовании репортерных
генов практически исключена.
Однако область применения репортерных
генов шире, чем просто контроль
трансгеноза. Другое, и, очевидно,
более важное назначение репортерных
генов состоит в том, чтобы
выявлять (по возможности количественно)
временные и пространственные
особенности экспрессии данного
конкретного гена, будь то собственного
или чужеродного. Присоединение
репортерного гена к одной
лишь промоторной области позволяет
исследовать в "чистом виде"
ее роль в регуляции экспрессии
изучаемого гена на уровне
транскрипции.
Замена белок-кодирующей
области гена на репортерную
при сохранении участка, кодирующего
5'-концевую не транслируемую последовательность
мРНК, позволяет оценить роль
этой последовательности в процессах
транспорта мРНК из ядра в
цитоплазму и инициации трансляции.
Одно из самых важных
свойств гена - способность к экспрессии.
За это свойство отвечают различные
генетические элементы, которые
мы должны встроить в векторную
молекулу, несущую ген.
2.1 Регуляция экспрессии
гена у прокариот
Многие бактериальные
гены устроены таким образом,
что они способны функционировать
с существенно разной эффективностью.
У E. coli, например, относительное содержание
различных белков варьирует в
очень широких пределах (от менее
чем 0.1% до 2%) в зависимости от
их функций; при этом каждый
белок в хромосоме E. coli кодируется
единственным геном. Такие вариации
обусловлены действием системы
контроля генной экспрессии, которая
осуществляется главным образом
на уровне транскрипции ДНК.
Таким образом, чаще всего уровень
активности гена связан с количеством
синтезируемой на нем мРНК, то
есть с активностью фермента
РНК-полимеразы.
Последовательности ДНК,
расположенные перед началом
структурного гена и определяющие
степень активности РНК-полимеразы,
называются регуляторными последовательностями.
Одна из таких последовательностей
представляет собой участок ДНК,
с которым связывается РНК-полимераза.
Этот участок называется промотором.
Последовательность оснований
промотора определяет частоту
инициации синтеза иРНК, причем
замена одного основания в
этой последовательности может
привести к уменьшению частоты
инициации в 1000 раз.
Промотор может быть
сильным и слабым. Сильный промотор
инициирует синтез иРНК часто,
слабый - гораздо реже. С другой
стороны, промотор может быть
регулируемым и нерегулируемым.
Например, промотор β-лактамазы нерегулируемый,
но сильный. Использование таких
промоторов не всегда удобно.
Дело в том, что большое количество
белка может блокировать рост
бактерий. Кроме того, интенсивная
транскрипция рекомбинантной ДНК
может помешать репликации плазмиды,
и она будет утрачена. Поэтому
удобнее использовать регулируемые
сильные промоторы (индуцибельные),
включение которых, а значит
и синтез чужеродного белка
можно осуществить, когда получена
большая бактериальная масса.
Некоторые плазмидные
векторы содержат промотор, работа
которого регулируется температурочувствительным
белковым продуктом гена-репрессора.
Белок-репрессор активен при определенных
температурах и блокирует действие
промотора. Повысив температуру
до 42 оС, можно "включить" промотор
и быстро получить большое
количество требуемого белка.
В качестве индуцибельных
промоторов используют также Trp-промотор
триптофанового оперона, который регулируется
триптофановым голоданием, lac-промотор
лактазного оперона, который индуцируется
субстратом (лактозой) и другие.
Интенсивность транскрипции
определенных структурных генов
может зависеть от эффективности
ее терминации, в частности, от
того, как часто РНК-полимераза
прекращает синтез РНК, не дойдя
до этих генов. Сравнительно
недавно обнаружено, что во многих
оперонах Е.coli, контролирующих биосинтез
аминокислот, между промотором и первым
структурным геном имеется терминирующая
последовательность. В определенных условиях
происходит образование терминирующего
сигнала, ослабляющего интенсивность
транскрипции.
Это явление получило
название аттенуации, а участок
ДНК - аттенуатор (ослабитель). Как
и репрессия, аттенуация зависит
от присутствия в среде соответствующих
аминокислот. Например, избыток триптофана
в клетках триптофанзависимых
мутантов, дефектных по репрессору,
только 1 из 10 молекул РНК-полимеразы,
начавших транскрипцию, преодолевает
аттенуатор и считывает структуру
генов. Удаление триптофана втрое
повышает эффективность транскрипции
генов. В отличие от репрессии,
антенуация зависит не от самой
аминокислоты, а от триптофанил
- тРНК (аминокилоты, присоединенной
к соответствующей тРНК).
На эффективность продуктивности
рекомбинантной ДНК в существенной
степени влияет количество копий
этой ДНК в расчете на клетку.
Суммарная активность экспрессируемого
гена растет с ростом копийности
плазмиды. Таким образом, используя
многокопийные плазмиды, можно достичь
сверхсинтеза нужных белковых
продуктов. Обычно используемые
плазмидные векторы (pBR 322 и др.) поддерживаются
в клетке в количестве 20-50 копий. Сейчас
исследователи имеют в своем распоряжении
температурно-чувствительные мутантные
плазмиды, способные накопить до одной-двух
тысяч копий на клетку, не нарушая ее жизненно-важных
функций. Таким образом можно достичь
сверхпродукции плазмидных генов бактериальными
штаммами-сверхпродуцентами.
Регуляция экспрессии
у E. coli происходит также и на уровне
трансляции. Последовательность оснований
длиной 6-8 нуклеотидов, расположенная
непосредственно перед инициирующим кодоном
АУГ, определяет эффективность трансляции.
Эта последовательность представляет
собой участок связывания мРНК с рибосомой.
Как правило, он отстоит на 8 нуклеотидов
от инициирующего кодона, и его сдвиг в
ту или иную сторону может резко снижать
эффективность трансляции соответствующей
мРНК. Описанный участок называется последовательностью
Шайна-Дальгарно, по имени исследователей,
впервые его идентифицировавших.
В состав вектора
кроме всего прочего должен
входить маркерный ген, позволяющий
селектировать измененные клетки.
Часто в качестве селективных
используют широко распространенные
в природе гены ферментов, модифицирующих
антибиотики и инактивирующие
их действие.
Особенности организации
генома эукариот
У эукариотических
организмов механизм регуляции
транскрипции гораздо более сложен.
В результате клонирования и
секвенирования генов эукариот
обнаружены специфические последовательности,
принимающие участие в транскрипции
и трансляции.
Для эукариотической
клетки характерно:
1. Наличие интронов и
экзонов в молекуле ДНК.
2. Созревание и-РНК - вырезание
интронов и сшивка экзонов.
3. Наличие регуляторных
элементов, регулирующих транскрипцию,
таких как: а) промоторы - 3 вида,
на каждый из которых садится
специфическая полимераза. Pol I реплицирует
рибосомные гены, Pol II - структурные гены
белков, Pol III - гены, кодирующие небольшие
РНК. Промотор Pol I и Pol II находятся перед
участком инициации транскрипции, промотор
Pol III - в рамках структурного гена; б) модуляторы
- последовательности ДНК, усиливающие
уровень транскрипции; в) усилители - последовательности,
усиливающие уровень транскрипции и действующие
независимо от своего положения относительно
кодирующей части гена и состояния начальной
точки синтеза РНК; г) терминаторы - специфические
последовательности, прекращающие и трансляцию,
и транскрипцию.
Эти последовательности
по своей первичной структуре
и расположению относительно
инициирующего кодона отличаются
от прокариотических, и бактериальная
РНК-полимераза их не "узнает".
Таким образом, для экспрессии
эукариотических генов в клетках
прокариот нужно, чтобы гены
находились под контролем прокариотических
регуляторных элементов. Это обстоятельство
необходимо учитывать при конструировании
векторов для экспрессии.
2.2 Способы прямого введения
гена в клетку
Прямое введение гена
в клетку осуществляют несколькими
способами:
Трансфекция
Микроинъекция
Электропорация
Метод «мини-клеток»
Упаковка в липосомы
Электронная пушка
При трансфекции ДНК
адсорбируется на кристаллах
фосфата кальция (Грэхем Ван
дер Эб, 1973). Образуются частицы
кальциевого преципитата. Они
поглощаются клеткой путем фагоцитоза.
Для повышения эффективности
трансформации к специфической
ДНК, содержащей ген, по которому
будет производится селекция, добавляется
неспецифическая ДНК-носитель. Обычно
для этой цели берут ДНК
из тимуса теленка или спермы
лосося. Часть ДНК связывается
с мембраной и не попадает
в клетки. ДНК акцептируют от 15
до 90% клеток. Через несколько суток
после введения небольшая доля
клеток способны экспрессировать
чужеродные гены, но затем уровень
экспрессии падает и более
или менее стабильную трансформацию
претерпевает 10-3 - 10-5 клеток.
Для трансфекции используется
и ДЭАЭ-декстран, полимер, адсорбирующий
ДНК. Эффект вхождения в клетки
и время экспрессии высоки, но
частота стабильной трансформации
ниже, чем при использовании преципитата
кальция. Частоту трансфекции
увеличивает глицериновый шок
(4 минуты в 15% растворе глицерина
в НEPES-буфере).
В клетки можно вводить
любой ген, если заранее лигировать
его с клонированным селективным
маркером. Однако дальнейшие исследования
показали, что лигирование вне
клетки не обязательно. Клетки,
поглощающие селективный ген,
вместе с ним поглощают и
другую ДНК, имеющуюся в кальциевом
преципитате. Таким образом, пользуясь
методом котрансформации, практически
любой клонированный сегмент
ДНК можно ввести в культивируемые
клетки эукариот, если включить
эту ДНК вместе с селективным
маркером в состав смеси для
образования кальциевого преципитата.
Для трансфекции можно
использовать хромосомы или фрагменты
хромосом. Клетки-доноры блокируются
на стадии митоза. Митотические
хромосомы высвобождаются под
воздействием осмотического шока
и гомогенизации. Их очищают
путем дифференциального центрифугирования.
Хромосомы осаждают на поверхности
клеток хлористым кальцием, а
через несколько часов обрабатывают
реагентом, способным перфорировать
мембраны (например, глицерином).