Теперь, когда мы знаем о некоторых правилах синтаксиса жизни, мы можем наконец поговорить о методах создания трансгенных организмов, не способных к размножению.
Первая технология самая простая и не основана на генной инженерии – создание стерильных гибридов. Если скрестить осла и лошадь, то получится мул, который с высокой вероятностью будет стерилен. Если скрестить гипотетическую трансгенную лошадь и осла, мы получим стерильного трансгенного мула. Аналогичный подход годится и для других организмов, в том числе для растений: две линии подбирают таким образом, чтобы их гибриды были стерильны. Делают одну или обе линии трансгенными. Эти трансгенные особи могут производить семена, но когда возникает необходимость получить стерильное потомство, две линии перекрестно скрещивают, получая гибриды, неспособные к половому размножению.
Второй способ – выведение растений, способных размножаться только вегетативно. Наверное, вы пробовали кишмиш – виноград без косточек, но задумывались ли вы, как он размножается? У кишмиша оплодотворение происходит самым обычным путем: в ягоде закладываются зачатки семян, но их развитие на ранних стадиях обрывается. Отсутствие семян не препятствует размножению этого винограда черенками и отводками. Другой пример – культивируемый банан. В результате мутаций, отобранных селекционерами, его плод не содержит семян, способных дать потомство, поэтому размножаться он может только вегетативным путем. Банан и кишмиш – мутанты, как и любые другие культурные растения, которые мы едим.
Третий способ похож на второй – создание растений, не способных производить пыльцу, то есть растений с мужской стерильностью. Такие растения можно опылять, но сами они никого опылить не могут. Для создания мужской стерильности обычно используют бактериальный ген, кодирующий токсичный для растений белок, который называется барназа. Этот белок разрушает молекулы РНК257. Ген барназы ставят под промотор, который работает только в клетках, выстилающих пыльники и снабжающих питательными веществами пыльцевые зерна. Если эти клетки погибают, пыльца не может развиваться. Такая технология пока что использовалась только для создания сортов рапса, цикория и риса, причем стоит отметить, что знаменитая Monsanto не имеет к ней никакого отношения. Эту технологию применяют нидерландская компания Bejo Zaden и немецкая Bayer CropScience.
Еще один способ скорее умозрительный в силу того, что на практике он не применяется, но очень интересен в теории – “ген-терминатор". На самом деле речь идет о целой системе из нескольких генов. Эта схема запросто послужит настоящим мастер-классом на тему управления развитием живых организмов. Предлагаю сделать глубокий вдох, прежде чем читать дальше.
Итак, нам надо получить растение, которое будет способно к половому размножению, но сможет давать и стерильные семена, если мы этого захотим. Существует промотор, который связывается с РНК-полимеразой только на ранних этапах развития семян. Рядом с этим промотором ставится ген, который кодирует токсичный белок, вызывающий смерть клетки. Смерть наступает от того, что белок связывается с рибосомой и нарушает ее работу. Без функциональных рибосом клетка не может синтезировать белки и осуществлять свою жизнедеятельность. Между промотором и геном токсичного белка ставится специальная вставка – блокатор. Благодаря этой вставке ген не работает, РНК не синтезируется, и токсин не образуется. Еще один ген производит рекомбиназу – фермент, умеющий вырезать блокатор из молекул ДНК. Ген рекомбиназы в обычных условиях не работает, потому что между промотором и геном рекомбиназы есть оператор, на который в обычных условиях садится белок репрессор. Пока есть репрессор, рекомбиназа не работает, блокатор остается на месте, а семена растения развиваются нормально. Но есть еще вещество – индуктор, которым можно обработать созревшие семена. Индуктор блокирует репрессор, как следствие, производится рекомбиназа, которая вырезает блокатор. Когда семена обработанных индуктором растений начнут развиваться, в них включится летальный ген, и мы получим стерильное растение. Думаю, если читатель выучит этот абзац наизусть, он сможет произвести большое впечатление на собеседника или собеседницу.
До сих пор мы говорили о генах, которые кодируют одиночные белки. У эукариот часто один ген может кодировать сразу несколько белков. Часто молекула РНК выходит из ядра не сразу, а после того, как она подвергнется модификации – сплайсингу. При сплайсинге некоторые участки РНК, которые называются интроны, вырезаются, а другие, экзоны, сшиваются вместе. Иногда вырезаются одни интроны, а иногда другие. Благодаря такому “альтернативному” сплайсингу увеличивается разнообразие синтезируемых клеткой белков.
В качестве примера рассмотрим самый большой белок человека – титин. Он выступает в роли своеобразной молекулярной пружины, поддерживающей структуру саркомеров – базовых сократительных единиц поперечнополосатых мышц258. У человека суммарная масса этого белка в мышцах может достигать 0,5 килограмма. Ген титина насчитывает 363 экзона, состоящих из 114414 нуклеотидов, кодирующих 38138 аминокислоты259. В разных клетках сплайсинг РНК титина может происходить по-разному, поэтому в одних мышцах может производиться полноразмерный титин, а в других – укороченный. Большинство изоформ титина состоят из 27–34 тысяч аминокислот, но есть и сравнительно короткие, длиной в 5604 аминокислоты, встречающиеся, например, в сердечной мышце.
Современным рекордсменом по количеству вариантов сплайсинга является ген DSCAM из мушки дрозофилы, способный производить 38016 разных молекул РНК260. DSCAM-подобные гены возникли более 600 миллионов лет назад и играют важную роль в развитии нервной системы у животных261. DSCAM человека не обладает таким разнообразием альтернативных РНК-вариантов, зато его чрезмерная активность, например в результате появления лишней 21-й хромосомы, на которой он у нас расположен, по-видимому, может приводить к развитию синдрома Дауна. Если генный инженер переносит в организм ген, РНК которого в норме подвергается разным вариантам сплайсинга, он может заранее вырезать последовательности интронов, чтобы ген кодировал только один белковый продукт.
Создать генетически модифицированный организм, производящий зеленый флуоресцентный белок, несложно, но с некоторыми белками возникают проблемы. Дело в том, что не только РНК, но и белки могут подвергаться существенным модификациям в клетках. Ген предшественника инсулина кодирует белок размером в 86 аминокислот. Специальный фермент вырезает из предшественника инсулина фрагмент в 35 аминокислот, после чего оставшиеся два фрагмента длиной в 21 и 30 аминокислот соединяются друг с другом. Только тогда получается готовый гормон инсулин.
Хотя некоторые белки могут вырезать из себя кусок без какой-либо дополнительной помощи262, инсулин не из их числа. Бактерии не способны вырезать нужный фрагмент из предшественника инсулина. Поэтому, чтобы производить инсулин в бактериях, его ген разрезают на части. Одним бактериям переносят фрагмент гена, кодирующий 21-ю аминокислотную субъединицу инсулина, другим – фрагмент, кодирующий 30-ю аминокислотную субъединицу. Обе субъединицы выделяют, очищают и смешивают вместе, чтобы они связались друг с другом, и в итоге получается инсулин, идентичный инсулину человека.
Скептически настроенный к генной инженерии человек мог бы спросить: если синтаксис жизни столь сложен, если имеется столько подводных камней, то где гарантия, что генетически модифицированный организм будет производить нужный нам белок, а не какую-то ерунду? Заранее дать такой гарантии нельзя, но когда мы уже получили новый сорт или породу организма, мы можем сравнить его белки с белками исходного сорта или породы. Мы можем выделить полученный белок и убедиться в том, что это именно тот белок, который нам нужен, что он был синтезирован правильно и имеет требуемые свойства. Мы также можем проверить, правильно ли встроились сложные генные конструкции с промоторами и операторами и не натворили ли они бед в измененном нами геноме. Хотя методы встраивания генов не всегда точны, мы можем использовать методы чтения ДНК, чтобы понять, какие гены были встроены, в каком количестве и в каком геномном окружении. О том, как читаются генетические последовательности, расскажет следующая глава.
Глава 12
Предъявите ваш геном. Чтение ДНК, геномный анализ, геномные войны, персонализированная медицина, метагеномика
В 1964 году американский биохимик Роберт Холли с коллегами установили последовательность нуклеотидов молекулы транспортной РНК, необходимой для присоединения аминокислоты аланина к синтезирующимся аминокислотным последовательностям белков263. За это открытие в 1968 году им дали Нобелевскую премию. В 1972-м в лаборатории бельгийского молекулярного биолога Вальтера Фьера впервые в истории была установлена последовательность нуклеотидов белок-кодирующего гена. Это был ген оболочки бактериофага MS2264, а вскоре стали известны и другие последовательности генов этого вируса79. В те времена “прочитать" последовательность какого-нибудь гена было все еще настолько серьезным достижением, что, сделав это, можно было смело публиковать статью в престижном научном журнале Nature.
