Клонирование.

Лекция «Деление клеток»

Жизненный цикл клетки. Митоз и мейоз Клеточный цикл (жизненный цикл клетки) — время существования клетки от начала одного деления до начала следующего деления, состоит из интерфазы и собственно процесса деления. Интерфаза — период между делениями, в котором происходят процессы роста и развития клетки, удвоения ДНК, синтеза белков и органических соединений.

Митоз и амитоз Митоз (непрямое деление клетки) — процесс равномерного распределения между дочерними клетками ядерного наследственного материала. В результате митоза из одной материнской клетки с диплоидным (двойным) набором хромосом образуются две диплоидные дочерние клетки, содержащие полную генетическую информацию в том же объёме, что и родительская. Митоз обеспечивает сохранность наследственных признаков и увеличение количества клеток или одноклеточных организмов. Стадии (фазы) митоза: Профаза — спирализация хромосом, уменьшение их функциональной активности;· репликация практически не идёт; разрушение оболочки ядра; образование веретена деления; прикрепление хромосом к нитям веретена деления. Метафаза — спирализация хромосом достигает максимума; хромосомы утрачивают· свою функциональную активность, образуют экваториальную пластинку. Анафаза — деление центромер; расхождение по нитям веретена сестринских· хромосом. Анафаза заканчивается, когда центромеры достигают полюсов клетки. Телофаза — деспирализация хромосом; образование ядерной оболочки; деление· цитоплазмы; между дочерними клетками формируется клеточная стенка. Амитоз — прямое деление клетки, при котором ядро делится путём перешнуровки без предшествующей перестройки: хромосомы не проходят цикла спирализации;· не образуется веретено деления;· клетка делится сразу после репликации ДНК;· ДНК между дочерними клетками распределяется неравномерно.· Амитоз проходит быстрее, чем митоз. В результате амитоза увеличивается количество дочерних клеток, но одновременно могут появляться двух- и многоядерные клетки. Амитоз характерен для одноклеточных и некоторых клеток многоклеточных организмов (клетки при патологических состояниях). Мейоз Мейоз — способ деления эукариотических клеток, в результате которого из одной материнской клетки образуются четыре дочерние с уменьшенным в два раза набором хромосом. На этапе интерфазы (предшествует мейозу) происходит репликация ДНК с последующим удвоением хромосом. Клетки с диплоидным набором хромосом, каждая состоит из одной хромосомной нити (хромонемы). После интерфазы хромосомы становятся удвоенными, а их диплоидное число 2n сохраняется. Центриоли в клеточном центре удваиваются. Стадии (фазы) мейоза I (редукционное деление): 1. Профаза I — спирализация хромосом; конъюгация; кроссинговер; хроматиды начинают расходиться; биваленты обособляются и располагаются по периферии ядра; ядрышко исчезает. 2. Метафаза I — начинается с момента разрушения ядерной оболочки; биваленты располагаются в экваториальной плоскости, прикреплённые к нитям веретена деления. 3. Анафаза I — центромеры каждой пары гомологичных хромосом разъединяются, и к полюсам клетки отходят гомологичные хромосомы, состоящие из двух хроматид. 4. Телофаза I — начинается с достижения хромосомами полюсов клетки (у каждого полюса — п хромосом): происходит редукция числа хромосом; образуется ядерная оболочка; делится цитоплазма; формируется клеточная стенка. Завершение мейоза I сопровождается образованием двух дочерних клеток, содержащих гаплоидный набор хромосом, которые в свою очередь остаются удвоенными. Во время кратковременной интерфазы (интеркинеза) не происходит репликация ДНК, нет удвоения хромосомы, две дочерние клетки вступают во второе деление мейоза. Стадии (фазы) мейоза II (по типу митоза — равное деление): 1. Профаза II — непродолжительная, так как хроматиды спирализованы. 2. Метафаза II — образуются экваториальная пластинка, хромосомы, состоящие из двух хроматид, центромерными участками прикрепляются к нитям веретена деления. 3. Анафаза II — хроматиды расходятся к полюсам клетки. 4. Телофаза II — образуется ядерная оболочка; делится цитоплазма; формируется клеточная стенка. Образуются четыре гаплоидные клетки. Мейоз II проходит по типу митоза. В результате мейоза из одной клетки с диплоидным набором хромосом после двух последовательных делений образуются 4n клетки. Черты мейоза 1. Редукция числа хромосом (если бы не было уменьшения числа хромосом при образовании половых клеток, то из поколения в поколение их количество возрастало бы и был бы утрачен один из важнейших признаков каждого вида — постоянство числа хромосом), 2. Конъюгация (сближение и переплетение) гомологичных хромосом. 3. Рекомбинация генетического материала, обусловленная случайным расхождением материнских и отцовских гомологичных хромо сом в дочерние клетки, а также кроссинговером (процессом обмена участками гомологичных хромосом). Таким образом, мейоз — непрерывный процесс, состоящий из двух последовательных делений ядра и цитоплазмы, перед которыми репликация происходит только один раз. Энергия и вещества, необходимые для обоих делений мейоза, накапливаются во время интерфазы I. Развитие половых клеток.

Роль мейоза и митоза Развитие половых клеток Важно понять, что образование из каждой диплоидной клетки четырех гамет происходит поэтапно и сопровождается уменьшением числа хромосом вдвое. Процесс формирования половых клеток называется гаметогенезом. У многоклеточных организмов различают сперматогенез — формирование мужских половых клеток и овогенез - формирование женских половых клеток. Рассмотрим гаметогенез, происходящий в половых железах животных — семенниках и яичниках. Сперматогенез — процесс превращения диплоидных предшественников половых клеток -сперматогониев в сперматозоиды. 1. Сперматогонии делятся на две дочерние клетки — сперматоциты первого порядка. 2. Сперматоциты первого порядка делятся мейозом (1-е деление) на две дочерние клетки -сперматоциты второго порядка. 3. Сперматоциты второго порядка приступают ко второму мейотическому делению, в результате которого образуются 4 гаплоидные сперматиды. 4. Сперматиды после дифференцировки превращаются в зрелые сперматозоиды. Сперматозоид состоит из головки, шейки и хвоста. Он подвижен, и благодаря этому вероятность встречи его с гаметами увеличивается. У мхов и папоротников спермин развиваются в антеридиях, у покрытосеменных растений они образуются в пыльцевых трубках в результате митотического деления микроспор. Овогенез — образование яйцеклеток у особей женского пола. У животных он происходит в яичниках. В зоне размножения находятся овогонии — первичные половые клетки, размножающиеся митозом. Из овогониев после первого мейотического деления образуются овоциты первого порядка. После второго мейотического деления образуются овоциты второго порядка, из которых формируется одна яйцеклетка и три направительных тельца, которые затем гибнут. Яйцеклетки неподвижны, имеют шаровидную форму. Они крупнее других клеток и содержат запас питательных веществ для развития зародыша. У мхов и папоротников яйцеклетки развиваются в архегониях, у цветковых растений — в семяпочках, локализованных в завязи цветка. Деление клетки — основа роста, развития и размножения организмов. Роль мейоза и митоза. Если у одноклеточных организмов деление клетки приводит к увеличению количества особей, т. е. размножению, то у многоклеточных этот процесс может иметь различное значение. Так, деление клеток зародыша, начиная с зиготы, является биологической основой взаимосвязанных процессов роста и развития. Подобные же изменения наблюдаются у человека в подростковом возрасте, когда число клеток не только увеличивается, но и происходит качественное изменение организма. В основе размножения многоклеточных организмов также лежит деление клетки, например при бесполом размножении благодаря этому процессу из части организма происходит восстановление целостного, а при половом — в процессе гаметогенеза образуются половые клетки, дающие впоследствии новый организм. В результате митоза происходит равномерное распределение наследственного материала между дочерними клетками — точными копиями материнской. Без митоза было бы невозможным существование и рост многоклеточных организмов, развивающихся из единственной клетки — зиготы, поскольку все клетки таких организмов должны содержать одинаковую генетическую информацию. В процессе деления дочерние клетки становятся все более разнообразными по строению и выполняемым функциям, что связано с активацией у них все новых групп генов вследствие межклеточного взаимодействия. Таким образом, митоз необходим для развития организма. Этот способ деления клеток необходим для процессов бесполого размножения и регенерации (восстановления) поврежденных тканей, а также органов. В результате мейоза обеспечивается постоянство кариотипа при половом размножении, так как уменьшает вдвое набор хромосом перед половым размножением, который затем восстанавливается в результате оплодотворения. Кроме того, мейоз приводит к появлению новых комбинаций родительских генов благодаря кроссинговеру и случайному сочетанию хромосом в дочерних клетках. Благодаря этому потомство получается генетически разнообразным, что дает материал для естественного отбора и является материальной основой эволюции. Изменение числа, формы и размеров хромосом, с одной стороны, может привести к появлению различных отклонений в развитии организма и даже его гибели, а с другой — может привести к появлению особей, более приспособленных к среде обитания. Таким образом, клетка является единицей роста, развития и размножения организмов.

Лекция: «Формы изменчивости организмов. Клонирование. Генная инженерия».

Генотипическая и фенотипическая изменчивость. Мутационная природа изменчивости Изменчивость – это универсальное свойство живых организмов приобретать новые признаки под действием среды (как внешней, так и внутренней). Различают два вида изменчивости: фенотипическую (модификационная) и генотипическую.

Фенотипическая изменчивость – это изменение организмов под действием факторов среды и эти изменения не наследуются. Эта изменчивость не затрагивает гены организма, наследственный материал не изменяется. Модификационная изменчивость признака может быть очень велика, но она всегда контролируется генотипом организма. Границы фенотипической изменчивости, контролируемые генотипом организма, называют нормой реакции. Широкая норма реакции приводит к повышению выживаемости. Интенсивность модификационной изменчивости можно регулировать. Модификационная изменчивость направлена. К статистическим закономерностям модификационной изменчивости относятся вариационный ряд изменчивости признака и вариационная кривая. Вариационный ряд представляет ряд вариант, (есть значений признака) расположенных в порядке убывания или возрастания (например, если собрать листья с одного и того же дерева и расположить их по мере увеличения длины листовой пластинки, то получается вариационный ряд изменчивости данного признака). Вариационная кривая – это графическое изображение зависимости между размахом изменчивости признака и частотой встречаемости отдельных вариант данного признака. Наиболее типичный показатель признака – это его средняя величина, то есть среднее арифметическое вариационного ряда. Различают следующие виды фенотипической изменчивости: модификации, морфозы, фенокопии. Модификации – это ненаследственные изменения генотипа, которые возникают под действием фактора среды, носят адаптивный характер и чаще всего обратимы (например, увеличение эритроцитов в крови при недостатке кислорода). Морфозы – это ненаследственные изменения фенотипа, которые возникают под действием экстремальных факторов среды, не носят адаптивный характер и необратимы (например, ожоги, шрамы). Фенокопии – это ненаследственное изменение генотипа, которое напоминает наследственные заболевания (увеличение щитовидной железы на территории, где в воде или земле не хватает йода).

При генотипической изменчивости происходит изменение наследственного материала и, обычно, эти изменения наследуются. Это основа разнообразия живых организмов. Различают два вида генотипической изменчивости: мутационная, комбинативная. Комбинативная изменчивость основывается на возникновении новых комбинаций генов родителей. При комбинативной изменчивости в результате слияния родительских гамет возникают новые комбинации генов, однако сами гены и хромосомы остаются неизменными (пример: каждый новый организм является новый комбинацией генов родителей). Механизмы комбинативной изменчивости: независимое расхождение хромосом в анафазу І мейоза. кроссенговер случайное слияние гамет случайный подбор родительских пар Мутационная изменчивость в основе этой изменчивости лежит изменение структуры гена, хромосомы или изменения числа хромосом. Мутация – это спонтанное изменение генетического материала. Мутации возникают под действием мутагенных факторов: физических (радиация, температура, электромагнитное излучение); химических (вещества, которые вызывают отравление организма: алкоголь, никотин, колхицин, формалин); биологических (вирусы, бактерии). Различают несколько классификаций мутаций. Мутации бывают полезные, вредные и нейтральные. Полезные мутации: мутации, которые приводят к повышенной устойчивости организма (устойчивость тараканов к ядохимикатам). Вредные мутации: глухота, дальтонизм. Нейтральные мутации: мутации никак не отражаются на жизнеспособности организма (цвет глаз, группа крови). Мутации бывают соматические и генеративные. Соматические (чаще всего они не наследуются) возникают в соматических клетках и затрагивают лишь часть тела. Они будут наследоваться следующим поколениям при вегетативном размножении. Генеративные (они наследуются, т.к. происходят в половых клетках): эти мутации происходят в половых клетках. Генеративные мутации делятся на ядерные и внеядерные (или митохондриальные). По характеру изменений в генотипе мутации подразделяются на: генные, хромосомные, геномные. Генные мутации (точковые) не видны в микроскоп, связаны с изменением структуры гена (генные мутации изменяют последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК и ген перестаёт работать). Эти мутации происходят в результате потери нуклеотида, вставки нуклеотида, замены одного нуклеотида другим. Эти мутации могут приводить к генным болезням: дальтонизм, гемофилия. Таким образом, генные мутации приводят к появлению новых признаков. Хромосомные мутации связаны с изменением структуры хромосом. Может произойти делеция – потеря участка хромосомы, дупликация – удвоение участка хромосомы, инверсия – поворот участка хромосомы на 1800, транслокация – это перенос части или целой хромосомы на другую хромосому. Причиной этого может быть разрыв хроматид и их восстановление в новых сочетаниях. Геномные мутации приводят к изменению числа хромосом. Различают анеуплоидию и полиплоидию. Анеуплоидия связана с изменением числа хромосом на несколько хромосом (1, 2, 3): моносомия общая формула 2n-1 (45, Х0), болезнь – синдром Шерешевского-Тернера. трисомия общая формула 2n+1 (47, ХХХ или 47, ХХУ) болезнь – синдром Клайнфельтра. полисомия Полиплоидия – это изменение числа хромосом, кратное гаплоидному набору (например: 3n 69). Организмы могут быть автоплоидными (одинаковые хромосомы) и аллоплоидными (разные наборы хромосом). Мутации имеют ряд свойств: Возникают внезапно, и мутировать может любая часть организма, т.е. они не направлены. Чаще бывают рецессивными, реже – доминантными. Могут быть вредными, полезными, нейтральными. Передаются из поколения в поколение. Вызываются внешними и внутренними факторами. Представляют собой стойкие изменения наследственного материала. Это качественные изменения, которые, как правило, не образуют непрерывного ряда вокруг средней величины признака. Могут повторяться. Мутации являются и элементарным эволюционным материалом и не направляющим элементарным эволюционным фактором. Мутационный процесс – источник резерва наследственной изменчивости популяций. Сходство между комбинативной и мутационной изменчивостью заключается в том, что в обоих случаях потомство получает набор генов каждого из родителей. Мутационная изменчивость является одним из главных факторов эволюционного процесса. В результате мутаций могут возникать полезные признаки, которые под действием естественного отбора дадут начало новым видам и подвидам.

Клонирование. Генная инженерия.

Генетическая инженерия (генетическая инженерия), совокупность методов молекулярной генетики, направленных на искусственное создание новых, не встречающихся в природе сочетаний генов. Те или иные чужеродные для данного организма гены вводят в его клетки и встраивают в его геном с различными целями: для изучения строения и функций генетического аппарата, для эффективной наработки продукта данного гена (напр., гормона или антибиотика), для придания организму-хозяину каких-либо желаемых свойств (напр., для сельскохозяйственных растений и животных – большей продуктивности или большей устойчивости к инфекциям или паразитам), для замещения (компенсации) генов, дефекты которых вызывают наследственные заболевания, и др.

Генно-инженерная технология использует всё разнообразие сложных и тонких методов современной генетики, позволяющих работать с ничтожными количествами генетического материала. Основные этапы и операции генной инженерии включают: выделение из клеток ДНК, содержащей нужный ген; разрезание ДНК на мелкие фрагменты с помощью специальных ферментов; соединение фрагментов ДНК с т. н. векторами, обеспечивающими проникновение в клетку; клонирование (размножение) нужного гена; создание рекомбинантной (гибридной) ДНК из участков ДНК (генов) разного происхождения; введение (микроинъекция) генетического материала в культивируемые клетки организма-хозяина или в его яйцеклетку.

После того как в нач. 70-х гг. 20 в. был разработан метод получения рекомбинантных ДНК, чужеродные гены стали вводить в клетки бактерий, растений и животных. Такие организмы получили название трансгенных. Очень быстро генная инженерия нашла практическое применение как основа биотехнологии. Уже в 80-е гг. 20 в. с помощью бактериальных клеток, в которые вводили гены человека, ответственные за синтез гормонов инсулина и соматотропина и антивирусного белка интерферона, было налажено производство этих важных для медицины препаратов. В мощную индустрию превратилось получение и разведение используемых в сельском хозяйстве трансгенных растений и трансгенных животных.

Большинство учёных связывает с развитием генной инженерии решение таких сложных проблем, как обеспечение человечества продовольствием и энергией, успешную борьбу с болезнями и с загрязнением окружающей среды. Вместе с тем высказываются опасения, что ничем не ограниченные генетические эксперименты и широкое использование в пищу трансгенных организмов может привести к непредсказуемым последствиям и спорно с точки зрения традиционной морали и этики.

На основе глубокого познания молекулярно-биологических механизмов передачи и реализации наследственного материала возник новый раздел молекулярной генетики - генетическая инженерия. Последняя ставит перед собой задачи целенаправленного изменения наследственности живых организмов или созданияinvitro новых комбинаций генетического материала, способного обеспечить синтез необходимых продуктов или заданные фенотипические характеристики организма. Академик А. А. Баев определил генетическую инженерию как отрасль генетики, целью которой является создание искусственных генетических программ. Генетическая инженерия берёт начало с 1972 года, когда в лаборатории американского биохимика П. Берга (Стэнфордский университет, США) была получена первая гибридная (рекомбинантная) ДНК\ в которой были соединены фрагменты ДНК фага лямбда (X) и кишечной палочки с кольцевой молекулой ДНК обезьяньего вируса SV40.

Ключевое значение для конструирования гибридной ДНК имеют ферменты-рестриктазы, рассекающие молекулу ДНК клетки-реципиента (хозяина) на фрагменты по строго определённым местам, а также ДНК-лигазы, соединяющие фрагменты ДНК в единую гибридную молекулу. Последняя представлена кольцевидной структурой, содержащей:

1) ДНК клетки реципиента;

2) введённые гены или ген-объект генетических манипуляций;

3) вектор - фрагмент ДНК, обеспечивающий введение гена в клетку, размножение гибридной ДНК и синтез конечных продуктов деятельности генетической системы - белков. Вектор включает участки начала репликации (обеспечивающие размножение ДНК), генетические маркёры (необходимые для селекции ДНК), регуляторные участки (ген-оператор) и др. Система «вектор-хозяин» не может быть произвольной, вектор «подгоняется» к клетке хозяина, его выбор зависит от видовой специфичности. Обычно векторы получают из плазмид кишечной палочки, фага лямбда, вирусов SV40 и полиомы дрожжей. В качестве клетки-реципиента чаще всего используют кишечную палочку, а также другие бактерии, дрожжи, животные и растительные клетки.

Разработки генетической инженерии требуют большой осторожности. Существует опасность биологической катастрофы из-за придания микроорганизмам, которые обычно безвредны для человека, патогенных свойств. На международной конференции в г. Асиломаре (США) в 1975 году были выработаны требования к применению методов генетической инженерии. Рекомендовано, в частности, в качестве клеток-реципиентов использовать штаммы бактерий, которые при температуре человеческого тела погибают (так называемые «саморазрушающиеся бактерии»).

Достижения генетической инженерии широко используются в биотехнологиях: получение микроорганизмов, синтезирующих биологически активные вещества для медицины, микробиологической и биохимической промышленности. Так, получены штаммы кишечной палочки, вырабатывающие соматостатин и инсулин человека, которые используются при лечении сахарного диабета. Большие надежды возлагаются на применение методов генетической инженерии для познания структуры и функционирования генетического аппарата в целом, лечения наследственно обусловленных нарушений обмена веществ и т.п.

Клонирование.

В 1996 году весь мир был взбудоражен новостью об овечке Долли. В результате экспериментов, выполненных под руководством Яна Уилмута, родилась овца, генетически идентичная взрослой овце. В норме (см. Законы Менделя) особь вырастает из одной оплодотворенной яйцеклетки, получив половину генетического материала от одного родителя и вторую половину — от второго. При клонировании же генетический материал берут из клетки одной живущей особи. Делается это так: из одной оплодотворенной клетки (зиготы) удаляют ядро (в котором находится ДНК). Затем извлекают ядро из клетки взрослой особи этого же вида и имплантируют его в лишенную ядра зиготу. Это яйцо имплантируют в матку самки данного вида и дают ему возможность расти, пока не придет время родов.

Сенсационность клонирования, принесшая Яну Уилмуту и Долли мировую известность, заключается в характере изменений клеточной ДНК по мере развития эмбриона . В начале в зиготе «включены» все гены, другими словами, все они могут работать. Однако в определенные сроки клетки становятся специализированными — в них отключаются разные гены, и их эффект больше не проявляется (на языке генетиков это называется «они не могут экспрессироваться»). Например, в каждой клетке вашего организма есть гены, отвечающие за синтез инсулина, но при этом инсулин вырабатывается только определенными участками поджелудочной железы. Во всех остальных клетках вашего тела (например, в клетках кожи, нервных клетках головного мозга) ген инсулина отключен.

Очевидно, что в ДНК, имплантированной в оплодотворенную яйцеклетку, какие-то гены уже отключены; какие именно и в какой последовательности — определяется тем, из какого органа взрослой особи была получена клетка. Оказывается, оплодотворенное яйцо — мы до конца не понимаем, как это происходит — способно вновь установить часы клетки на «0», т. е. вновь включить все гены, благодаря чему становится возможным нормальное развитие эмбриона. В этом суть великого открытия Уилмута.

Не все попытки клонирования оказываются успешными. Одновременно с Долли эксперимент по замене ДНК был проведен на 273 других яйцеклетках, и лишь в одном случае выросло живое взрослое животное. После Долли были клонированы многие виды млекопитающих, назовем лишь некоторых — корова, мышь и свинья. Из яйцеклетки мыши получено несколько поколений клонированных животных — клоны, клоны из клонов, клоны из клонов и т. д.

Серьезнейшие разногласия вызвала возможность применения данной технологии к человеку. С одной стороны, новая технология несет ужасающую угрозу нравственности, поэтому клонирование человека надо запретить. С другой стороны, благодаря этой технологии много бесплодных супружеских пар получают шанс иметь биологически родственных им детей, и значит, по мнению многих, это вполне этично.

Пока споры продолжаются, обратим внимание на один важный аспект. С технической точки зрения, клон, каким является Долли, всего лишь особь, ДНК которой идентична ДНК другой особи. Нам нередко приходится сталкиваться с особями, имеющими идентичную ДНК — мы называем их близнецами. Клон — это просто-напросто близнец, родившийся на несколько лет или десятилетий позже — «асинхронный близнец». Так же как нам никогда не пришло бы в голову ожидать, что один близнец может отдать другому свое сердце для пересадки, перспектива выращивания клонов для заготовки пересаживаемых органов — лишь страшный сон, который никогда не станет явью. Я на собственном опыте убедился, что стоит заменить слово «клон» на «близнец», как дебаты по клонированию человека утрачивают пафос.