 |
|
МИР ЗНАНИЙ
А.А. БОГДАНОВ Б.М.МЕДНИКОВ
Власть над геном
Книга для внеклассного чтения
учащихся 9—10 классов средней школы
МОСКВА «ПРОСВЕЩЕНИЕ» 1989
| {1} |
ББК 28.04 Б73
Рецензенты:
член-корреспондент АН СССР, зав. кафедрой химии природных
соединений МГУ им. М. В. Ломоносова М. А. Прокофьев;
учитель-методист школы № 151 Москвы З. М. Спитковская
Богданов А. А., Медников Б. М.
Б73 Власть над геном: Кн. для внеклас. чтения учащихся 9—10 кл. сред. шк. — М.: Просвещение, 1989. — 208 с, ил. — (Мир знаний). ISBN 5-09-000440-4
В книге увлекательно рассказано об одной из самых важных отраслей биотехнологии — генной инженерии, направленном изменении наследственности. Школьник узнает о внедрении генной инженерии в медицину, сельское хозяйство, нефтяную и газовую промышленность, а также о перспективах развития этой отрасли современной биологии. Оригинальные рисунки и схемы помогут лучше понять научно-познавательные очерки о генной инженерии, о власти человека над геном.
ISBN 5-09-000440-4
© Издательство «Просвещение», 1989
| {2} |
Как бы человечество ни ушло по пути прогресса, наш XX в. навсегда останется в его памяти. Люди всегда будут помнить, что этот век был отмечен тремя важнейшими достижениями: люди научились использовать энергию атома, вышли в космос и стали направленно изменять наследственность. Вот три великих успеха, которые наши отдаленные потомки будут помнить даже тогда, когда станут летать от звезды к звезде и победят старость и смерть.
Но если перспективы ядерной физики преподаются в школе, если космонавтов благодаря телевидению мы знаем в лицо, с биологией дело обстоит хуже. Величайшие ее достижения еще не стали известными широким массам, да и школьные программы просто не успевают за развитием науки. Потому мы и написали эту книгу, которую предлагаем на суд читателю.
Следует сказать, что часто книги — учебники и учебные пособия, научно-популярные книги в том числе, пишутся в расчете на «среднестатистического» читателя; но такого в природе не существует. Одни будут читать эту книгу с напряжением, другие — с интересом, третьи не только прочтут, но и заинтересуются генной инженерией и, быть может, захотят связать с этой новой отраслью биологии свою жизнь. И если найдется достаточное количество читателей такой категории, мы будем считать, что потрудились не зря.
А. А. Богданов, Б. М. Медников
| {3} |
Автотрофные, аутотрофные (по какому-либо веществу) клетки — способные сами синтезировать определенное вещество в отличие от ауксотрофных (см. Аксотрофные по какому-либо веществу клеток).
Активатор — регуляторный белок, по свойствам противоположный репрессору; он активирует транскрипцию (см. Репрессор; транскрипция).
Аллель, аллеломорф — форма существования гена; отличается последовательностями нуклеотидов. Обычно ядерные организмы имеют два аллеля каждого гена в гомологичных хромосомах, унаследованных от отца и матери; у половых клеток (гамет) с одним набором хромосом имеется только один аллель (закон чистоты гамет).
Антибиотики — вещества, подавляющие рост каких-нибудь клеток. Обычно антибиотики при этом блокируют одну из стадий синтеза белков или нуклеиновых кислот.
Антиген — вещество, воспринимаемое организмом как чужеродное и вызывающее иммунный ответ: соединение со специфичными белками — антителами (см. Антитела) или поглощение особыми клетками. Особенно антигенны белки и высокомолекулярные полисахариды, слагающие оболочки бактерий.
Антитело — белок (иммуноглобулин), синтезируемый организмом в ответ на введение антигена (см. Антиген). Комплекс антиген-антитело нерастворим, поглощается специальными клетками и переваривается ими или выводится из организма.
Ауксотрофные (по какому-либо веществу) клетки — неспособные синтезировать это вещества сами (в отличие от автотрофных).
Ауторадиография — способ обнаружения вещества, меченного радиоактивным изотопом, по засвеченному отпечатку на фотопленке. Для этого препарат, содержащий изотоп, накладывают на пленку и выдерживают в темноте нужное время.
Бактериофаг, фаг — вирус, размножающийся в бактериальных клетках. {200}
Белковая инженерия — создание искусственных белков с заданными свойствами обычно путем направленных изменений (мутаций) в генах природных белков.
Белок-химера — белок, часть аминокислотной последовательности которого кодируется одним геном, а часть — другим.
Библиотека генов, ген отека — собрание векторов (см. Вектор), в которых встроены фрагменты ДНК какого-либо организма, в совокупности слагающие весь его геном. Уже существуют и пополняются генотеки дрозофилы, мыши, человека и других видов.
Блоттинг — перенос ДНК из геля, в котором шел электрофорез, на нитроцеллюлозный фильтр. При этом ДНК собирается на фильтре, как чернила на «промокашке», давая точную картину распределения фрагментов ДНК по длине.
Вакцина — антигены (см. Антиген), которые вводят в организм, чтобы выработать против них иммунитет. Обычно состоит из убитых или ослабленных вирусов, или бактерий, или чистых оболочечных антигенов.
Вектор — полученная из плазмиды (см. Плазмида) или вирусной ДНК кольцевая молекула ДНК, способная переносить какой-либо ген от одной клетки к другой.
Водородная связь — образуется между электроотрицательным атомом молекулы (кислород, азот) и электроположительным ядром водорода (протоном), который, в свою очередь, ковалентно связан с другим электроотрицательным атомом той же или соседней молекулы.
β-Галактозидаза (бета-галактозидаза) — фермент, отщепляющий простой сахар — галактозу — от сложного молочного сахара — лактозы.
Гены-регуляторы — гены, кодирующие регуляторные белки, активирующие или подавляющие транскрипцию (см. Транскрипция) других генов.
Гетерозиготность — в отличие от гомозиготности тот случай, когда от отца и матери организм получает разные аллели (см. Аллель, аллеломорф).
Гибридизация ДНК — образование в опыте двуцепочечной ДНК, комплементарные половины которой получены из разных источников.
Гомозиготность — по какому-либо гену тот случай, когда мы от отца и от матери получаем одинаковый аллель (см. Аллель, аллеломорф).
Денатурация — обратимый распад двуцепочечной структуры ДНК под действием высокой температуры или щелочной реакции среды.
ДНК-лигаза — фермент, образующий фосфодиэфирную связь между двумя соседними остатками и тем самым зашивающий разрывы в полинуклеотидных цепях двутяжевой ДНК. {201}
ДНК-полимераза — катализирует синтез ДНК, используя в качестве «затравки» однотяжевую ДНК.
Доминантность — участие только одного аллеля в формировании признака у гетерозиготной (см. Гетерозиготность) особи. Если признак определяется совместным действием обоих аллелей, они называются кодоминантными.
Затравка (праймер) — короткая олиго- или полинуклеотидная последовательность со свободной 3' — ОН-группой, комплементарно связанная с однотяжевой ДНК или РНК; с ее 3'-конца ДНК-полимераза начинает наращивать полидезоксирибонуклеотидную цепь.
Индуктор — вещество, которое, попадая в клетку, «включает» транскрипцию (см. Транскрипция) прежде репрессированного гена (см. Репрессор).
Инициация — процесс, обеспечивающий начало репликации ДНК, транскрипции или синтеза полипептидной цепи белка на рибосоме.
Интерфероны — защитные белки организма, подавляющие рост вирусов и клеток злокачественных опухолей. Синтезируются лейкоцитами (а- и Y-интерфероны) и клетками соединительной ткани (в-ин-терферон).
Интрон — участок гена, который транскрибируется, а затем удаляется из предшественника РНК при сплайсинге (см. Сплайсинг), находится между двумя экзонами (см. Экзоны).
Кодон — три расположенных друг за другом нуклеотидных остатка в цепи информационной РНК, кодирующие одну аминокислоту или являющиеся сигналом окончания трансляции (см. Трансляция).
Компетентность — способность клеток к трансформации (см. Трансформация).
Комплементарность — соответствие молекул или их частей, приводящее к образованию комплекса, поддерживаемого водородными или иными связями. Комплементарны, например, пары оснований А—Т, G—С и А—U в нуклеиновых кислотах, антиген — антитело или активный центр молекулы фермента и субстрата этого фермента.
Конъюгация (соединение) — процесс обмена ДНК у бактерий. При этом клетка, отдающая ДНК (донор), присоединяется к клетке, принимающей ДНК (акцептору), трубочкой, стенки которой состоят из молекул белка — пилина.
Кроссинговер — обмен частями у гомологичных хромосом. Проходит обычно при становлении половых клеток — в мейозе, когда хромосомы, унаследованные от отца и матери, образуют пары (биваленты). Реже встречается при митозе (соматический кроссинговер).
Лактозный оперон кишечной палочки — совокупность трех генов, в которых закодированы ферменты, позволяющие клеткам кишечной палочки усваивать молочный сахар — лактозу.
Лизис — распад клетки, вызванный разрушением ее оболочки. {202}
Лизогенный (умеренный) фаг — бактеориофаг, ДНК которого встроена в хромосому бактериальной клетки и генетически неактивна из-за действия белка-репрессора (см. Репрессор). Удаление репрессора активирует ДНК, фаг размножается, и наступает лизис — распад клетки.
Линкер — короткий двутяжевой синтетический олигонуклеотид, применяемый для соединения фрагментов ДНК при получении рекомбинантных ДНК; часто содержит участок узнавания рестриктазой.
«Липкие» концы — комплементарные однотяжевые участки ДНК, выступающие из двойной спирали одной и той же или разных молекул ДНК; могут быть получены при разрезании ДНК многими рестриктазами; используются для направленного соединения («склеивания») фрагментов ДНК друг с другом.
Маркерный ген — ген в рекомбинантной ДНК, кодирующий признак, которого нет у клетки-реципиента; часто это — устойчивость к антибиотикам.
Метилазы — ферменты, которые, присоединяя метильную группу СН3 к одному из нуклеотидов ДНК, делают это место устойчивым к действию соответствующих рестриктаз.
Мутаген — вещество, способное вызвать мутацию (см. Мутация). Мутагенез — процесс возникновения мутаций.
Мутация — изменение генетического материала, приводящее часто к изменению свойств организма. Обычно это изменение числа хромосом или их структуры или же точковое изменение в последовательности нуклеотидов ДНК.
Нуклеазы — общее название ферментов, расщепляющих молекулы нуклеиновых кислот.
Олигонуклеотид — цепь, состоящая из нескольких (от 2 до 20) нуклеотидных остатков.
Онкорнавирус — РНК-содержащий вирус, вызывающий перерождение нормальных клеток в раковые; содержит в своем составе обратную транскриптазу.
Оператор — участок ДНК, с которым специфически связывается репрессор (см. Репрессор) и предотвращает начало транскрипции с соседнего промотора (см. Промотор).
Плазмиды — кольцевые молекулы ДНК, способные размножаться (реплицироваться) в клетке независимо от ядра. Различают п. трансмиссивные, способные передаваться от клетки к клетке, и нетрансмиссивные.
Полилинкер — то же, что и линкер (см. Линкер), но содержащий участки узнавания сразу для нескольких рестриктаз (см. Рестриктазы).
Полимеразы — ферменты, способные использовать полинуклеотиды {203} как матрицы и строить комплементарные им новые полинуклеотидные цепи.
Полипептид — полимер, состоящий из аминокислотных остатков, связанных пептидными связями.
Правые и левые молекулы — органические кислоты, большинство аминокислот, углеводы и прочие соединения с асимметрическим атомом углерода; могут существовать в двух формах — правой и левой, отличающихся друг от друга как перчатки с разных рук. Например, все аминокислоты, кодируемые ДНК, — левые.
Прокариоты — организмы, у которых нет клеточного ядра; все бактерии — прокариоты.
Промотор — сигнальная последовательность ДНК, которую «узнает» молекула фермента РНК-полнмеразы и соединяется с нею, чтобы начать транскрипцию (см. Транскрипция).
Протопласт — бактериальная, грибковая или растительная клетка, с которой специальными ферментами удалена оболочка.
Рекомбинантные молекулы ДНК — получаются в результате объединения, сшивки двух чужеродных фрагментов ДНК. Рекомбинация может быть естественной или искусственной, подготовленной генным инженером.
Ренатурация — у ДНК; процесс, обратный денатурации (см. Денатурация), т. е. объединение комплементарных цепей в двойную спираль. У белков — восстановление исходной (нативной) структуры за счет правильного образования всех внутренних связей (в том числе ковалентных S—S-связей).
Репликация — синтез дочерних цепей ДНК на цепях исходной молекулы ДНК; главный участник этого процесса — ДНК-полимераза.
Реп рессор — белок, который, присоединяясь к ДНК, делает ее генетически неактивной (тормозит процесс транскрипции; см. Транскрипция).
Рестриктазы — ферменты, расщепляющие ДНК по местам с определенной последовательностью нуклеотидов.
Рестрикты — фрагменты, кусочки ДНК, нарезанные рестриктазой (см. Рестриктазы).
Рестрикции — модификации системы — способ, с помощью которого бактерии защищаются от чужой (фаговой) ДНК. При этом чужая ДНК расщепляется по определенным местам ферментами — рестриктазами (см. Рестриктазы). Уязвимые места в своей ДНК и ДНК, приспособившихся к этой бактерии фагов, защищаются модификацией (метилированием), которую производят особые ферменты — метилазы.
Рестрикционная карта — схема молекулы ДНК, на которой указаны места разрезания ее различными рестриктазами; относительные {204} расстояния между этими местами соответствуют относительным длинам реально образующихся фрагментов ДНК.
Рецессивность — тот случай, когда аллель (см. Аллель), обладающий этим свойством, подавляется при развитии доминантным признаком (см. Доминантность).
Рибонуклеазы — ферменты, расщепляющие в клетках ставшую ненужной или чужую РНК.
Секвенирование — определение последовательности чередования нуклеотидных остатков в нуклеиновой кислоте или аминокислотных остатков в белке.
Селективные среды — твердые и жидкие питательные среды, на которых могут расти клетки лишь с определенными свойствами. Селективные среды производят селекцию, отбор.
Скрининг — поиск среди многих колоний клеток тех немногих, которые имеют в своем составе векторы с нужными генами (иногда просто поиск изменившейся в нужном направлении клетки).
Сплайсинг — процесс удаления нитронов из предшественника РНК и объединения экзонов в зрелую РНК.
Терминация — процесс, приводящий к окончанию репликации транскрипции или трансляции (см. Репликация; Транскрипция; Трансляция).
Трансдукция — перенос ДНК от клетки к клетке плазмидами (см. Плазм иды) и фагами.
Транскрипт — продукт транскрипции, т. е. РНК, синтезированная на данном участке ДНК (как на матрице) и комплементарная ему.
Транскриптаза обратная, ревертаза — фермент ДНК-полимераза, синтезирующий на однотяжевой РНК комплементарную ее однотяжевую ДНК; для своей работы требует «затравки» (см. ДНК-полимераза).
Транскрипция — синтез РНК на ДНК-матрице; осуществляется РНК-полимеразой.
Трансляция — процесс синтеза белковых молекул на матрицах информационных РНК.
Трансфекция (соединение слов трансформация и инфекция) — изменение (трансформация) наследственных свойств клетки с помощью заражения (инфекции) клетки фагом или фаговой ДНК со встроенным геном.
Трансформация (превращение) — изменение наследственных свойств клетки, происходящее, когда клетка захватывает чужую ДНК.
Усилитель (энхансер) - последовательность ДНК, которая, будучи расположена на любом расстоянии от какого-либо гена, резко (порой в 100—1000 раз) усиливает его транскрипцию (см. Транскрипция). {205}
Фактор F — плазмида, обеспечивающая у бактерий процесс конъюгации.
Штамм — линия клеток, ведущая начало от одной клетки-родоначальницы. Все клетки штамма генетически одинаковы.
Экзоны — части гена, в которых закодированы участки его продукта — РНК или белка; после выбрасывания интронов (см. Нитроны) и сплайсинга (см. Сплайсинг) экзоны оказываются связанными друг с другом в зрелой РНК.
Электрофорез — разделение электрически заряженных молекул в электрическом поле. Обычно ведется в поддерживающих средах — гелях типа плотного студня, чтобы разделяемые молекулы не так быстро «расплывались» из-за теплового движения.
Эндонуклеазы — ферменты, расщепляющие нить ДНК не с концов, а посередине. Различают неспецифичные и специфичные эндонуклеазы, например эндонуклеазы, рестрикции, рестриктазы, расщепляющие ДНК по определенным последовательностям (см. Рестрикции; Рестриктазы).
Эукариоты — организмы, клетки которых содержат ядра; ДНК ядер при делении вместе с ядерными белками — гистонами образует хромосомы.
| {206} |
ОГЛАВЛЕНИЕ
3
ГЛАВА 1
КАК УЗНАЛИ О СУЩЕСТВОВАНИИ ГЕНОВ
4
ГЛАВА 2
17
ГЛАВА 3
КАК ГЕНЫ ПЕРЕДАЮТСЯ ИЗ КЛЕТКИ В КЛЕТКУ
41
ГЛАВА 4
КАК ГЕННЫЕ ИНЖЕНЕРЫ РАЗРЕЗАЮТ,
СКЛЕИВАЮТ, КОЛОНИРУЮТ ГЕНЫ
60
ГЛАВА 5
87
ГЛАВА 6
ГЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ — ПЕРВЫЕ УСПЕХИ
104
ГЛАВА 7
ГЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ И ПРАКТИЧЕСКАЯ
МИКРОБИОЛОГИЯ
141
ГЛАВА 8
ГЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ — СЕЛЬСКОМУ ХОЗЯЙСТВУ
156
ГЛАВА 9
ГЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ — ОПАСЕНИЯ И НАДЕЖДЫ
188
196
ТОЛКОВЫЙ СЛОВАРЬ
НАЧИНАЮЩЕГО
ГЕННОГО ИНЖЕНЕРА
200
| {206} |
Учебное издание
БОГДАНОВ АЛЕКСЕЙ АЛЕКСЕЕВИЧ
МЕДНИКОВ БОРИС МИХАЙЛОВИЧ
Власть над геном
Зав. редакцией Т. П. Крюкова
Редактор Л. А. Приходько
Художники Б. А. Гомон, Т. Я. Демина
Художественный редактор В. М. Прокофьев
Технический редактор Т. Е. Молозева
Корректор О. В. Ивашкина
ИБ № 11222
Сдано в набор 22.03.88. Подписано к печати 26.12.88. А05833. Формат 84×108/32. Бумага офсетная № 1. Гарнитура литературная. Печать офсет. Усл. печ л. 10,92. Усл. кр.-отт. 42,42. Уч.-изд. л. 11,17. Тираж 130 000 экз. Заказ № 2048. Цена 60 к.
Ордена Трудового Красного Знамени издательство «Просвещение» Государственного комитета РСФСР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли. 129846, Москва, 3-й проезд Марьиной рощи, 41.
Ордена Трудового Красного Знамени Калининский полиграфический комбинат Союзполиграфпрома при Государственном комитете СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли. 170024, г. Калинин, пр. Ленина, 5.