Модификации (генетика)
Термин «модификации в генетике» относится как к естественным, так и к искусственным изменениям в ДНК.Случайные или естественные мутации происходят из-за ошибок во время репликации и репарации, спонтанно или из-за стрессовых факторов окружающей среды. Преднамеренные модификации производятся в лаборатории для различных целей, для разработки более выносливых семян и растений и все чаще для лечения заболеваний человека. Использование технологии редактирования генов остается спорным.
Генетические модификации (случайные и намеренные)
[ редактировать ]
Модификации — это изменения в ДНК человека вследствие случайной мутации или преднамеренной генетической модификации с использованием различных биотехнологий. [1] Хотя существует путаница между терминами «модификация» и «мутация», поскольку они часто используются как взаимозаменяемые, модификация отличается от мутации, поскольку она действует как общий термин, охватывающий оба определения мутации и генной инженерии. [1] Обе эти подкатегории приводят к изменению наблюдаемых характеристик организма, также известному как его фенотип , вызванному изменениями в генотипе организма или его конкретных аллелях, что приводит к изменению экспрессии генов. [2] Хотя наследственность играет большую роль в индивидуальном самовыражении, как и в случае эпигенетических модификаций, не все случаи модификаций передаются по наследству. Независимо от причин таких вариаций на генетическом уровне, они явно влияют на создание и взаимодействие белков, изменяя функции клеток, фенотип и функции организма. [3]
Виды модификации
[ редактировать ]Генетические модификации могут происходить естественным путем, посредством вышеупомянутых мутаций в геноме организма или с помощью биотехнологических методов выбора интересующего гена, которым можно манипулировать, чтобы создать что-то новое или улучшить то, что уже существует. [1] Это различие между изменениями, происходящими естественным путем, и изменениями, которые являются преднамеренными, является ключом к пониманию разницы между мутацией и генной инженерией. [1]
Мутация (случайная)
[ редактировать ]Мутацию можно точнее определить как любое некомбинаторное изменение фенотипа, которое может последовательно наследоваться от родителя к потомку на протяжении поколений. [1] Мутации могут быть связаны со многими факторами и принимать различные формы, однако в основном их можно объяснить ошибками, которые происходят во время репликации ДНК или воздействия внешних факторов. [4] Поскольку клеточные процессы высокоэффективны, они несовершенны, что приводит к различиям между организмами одного и того же вида. [4] Эти различия могут вызывать множество различных фенотипических эффектов любой интенсивности, от полного отсутствия наблюдаемого воздействия до возможной нежизнеспособности. [4] Из-за условий окружающей среды, таких как климат, диета, уровень кислорода, световые циклы, а также мутагены или химические вещества, которые тесно связаны с восприимчивостью к болезням, экспрессия генов может варьироваться. [5] [6] Время и продолжительность воздействия таких элементов являются критическим фактором, а также могут существенно повлиять на фенотипическую реакцию организма, обычно со временем тяжесть которой увеличивается. [7]
Методы:
Существует несколько методов или форм мутаций , включая спонтанные мутации, ошибки во время репликации и репарации, а также мутации, вызванные воздействием окружающей среды. [8] Такое происхождение мутаций может вызывать множество различных типов мутаций , которые влияют на экспрессию генов как в больших, так и в малых масштабах. [8]
Генная инженерия (преднамеренно)
[ редактировать ]Генная инженерия — это тип преднамеренной генетической модификации, при которой биотехнологии изменяют геном организма. [ нужна ссылка ] По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), генетически модифицированные организмы определяются как «Организмы (т.е. растения, животные или микроорганизмы), в которых генетический материал (ДНК) был изменен таким образом, который не происходит естественным образом в результате спаривания и/или естественного рекомбинация». [9] Этот тип модификации может включать вставку или удаление оснований ДНК в существующий генетический код. [10] В биотехнологической методологии для создания генетически модифицированного организма (ГМО) используется серия из четырех этапов. [11]
- Идентифицировать
- Исследователи определяют черту интереса, обычно основанную на желании решить проблему. [11]
- Изолировать
- Исследователи определяют последовательность конкретного признака путем сравнения геномов организмов одного вида с этим признаком и без него. [11]
- Вставлять
- Затем они используют последовательность(и) и различные ферменты для вставки генов признака в плазмидный вектор , который затем можно вставить в бактерии для размножения предпочтительного гена. [11]
- Расти
- Признаком создания успешного ГМО является рост и репликация вновь отредактированного генома без ущерба для организма из-за новой модификации. [11]
- Идентифицировать
Методы:
Методы CRISPR — это широко используемый тип вышеупомянутого процесса редактирования генома. [12] Редактирование генов CRISPR, что означает «кластеризованные регулярно расположенные короткие палиндромные повторы», позволяет ученым вручную изменять экспрессию генов, исправляя ошибки или создавая новые вариации. [12] С 2012 года ученые работали над разработкой этой технологии, которая дает возможность как лечить генетические заболевания, так и генетически модифицировать признаки, целенаправленно изменяя ДНК с высокой степенью точности. [13]
Примеры
[ редактировать ]Мутация (случайная)
[ редактировать ]Одуванчик . : Большинство одуванчиков имеют длинные стебли, но увеличение потенциальных угроз в окружающей среде привело к уменьшению средней длины стебля одуванчика у некоторых видов, что позволяет им лучше избегать указанных угроз [14] Эта адаптация стала возможной благодаря мутации, произошедшей у особи с более коротким стеблем, отобранной под давлением окружающей среды. [15] Поскольку одуванчики с более коротким стеблем имели более высокую приспособленность, чем одуванчики с длинным стеблем, и были способны выживать чаще, генетическая частота популяции была изменена, генетически модифицирована посредством первоначального возникновения мутации. [15]
Серповидно-клеточная анемия . У здорового человека ген HBB отвечает за кодирование гемоглобина, который переносит кислород по всему организму. [16] Однако когда у человека возникает это заболевание из-за наследования двух мутированных копий гена HBB из-за точечной мутации пары оснований, его эритроциты имеют другую форму. [16] Эта измененная форма приводит к блокировке кровотока с серьезными последствиями для здоровья. [16] С другой стороны, те, кто унаследовал только одну мутированную копию этого гена, имеют более высокий уровень защиты от малярии . [17]
Генная инженерия (преднамеренно)
[ редактировать ]Болезнь Альцгеймера . В синтетическом примере в лаборатории ученые выделили ген белка-предшественника амилоида (APP), известный тем, что он вызывает болезнь Альцгеймера у людей, и передали его в нервные клетки червей. [10] При этом ученые стремились изучить прогрессирование болезни Альцгеймера у этого простого организма, помечая белок APP зеленым флуоресцентным белком, что позволило им лучше визуализировать ген по мере старения червя. [10] Используя то, что они узнали в ходе экспериментов с простым червем и геном APP, ученые расширили свое понимание роли этого гена в возникновении болезни Альцгеймера у людей. [10]
Инсулин : Первое использование генетически модифицированных бактерий было для медицинского инсулина, который необходим диабетикам для медицинского контроля уровня сахара в крови. [18] С помощью следующих шагов ученые смогут генетически сконструировать медицинский продукт, на который полагаются миллионы людей во всем мире: [10]
- Небольшой фрагмент ДНК извлекается из кольцевой формы бактериальной или дрожжевой ДНК, называемой плазмидой. Ученый сможет извлечь эту ДНК с помощью специфических ферментов рестрикции.
- Затем ученый вставит человеческий ген инсулина в пробел, оставленный извлеченной ДНК. Эта плазмида теперь считается генетически модифицированным объектом.
- Генетически модифицированный объект повторно вводится в новую бактериальную или дрожжевую клетку.
- Затем эта клетка подвергнется митозу и быстро разделится, производя инсулин, пригодный для нужд человека.
- Ученые выращивают генетически модифицированные бактерии или дрожжи в больших ферментационных сосудах, которые содержат все необходимые питательные вещества и позволяют выращивать большие количества инсулина.
- Когда ферментация завершена, смесь фильтруют для получения конечного инсулина.
- Затем инсулин очищается и упаковывается во флаконы и инсулиновые ручки для распределения пациентам с диабетом.
Этика генной инженерии
[ редактировать ]
Быстрое развитие технологии редактирования генов CRISPR-Cas9 усилило как обеспокоенность, так и актуальность этого этического противоречия, поскольку оно стало более популярным. [19] [20] Научное сообщество рекомендует продолжать оценку рисков и преимуществ использования генетически модифицированных организмов в повседневной жизни. [21] Генетические модификации изучаются исследователями в контролируемых условиях после их введения в организм, что позволяет улучшить научное понимание эффектов определенных модификаций генов и определенных реакций организма.
Люди
[ редактировать ]В апреле 2015 года технология редактирования генов была использована на человеческих эмбрионах, и с тех пор споры об этичности таких действий не прекращаются. [22] Тем не менее, ученые и политики согласны с тем, что законность редактирования генома зародышевой линии должна решаться общественными обсуждениями. [23] Модификация ненаследственной ДНК человека с целью улучшения его состояния здоровья общепринята и имеет множество этических протоколов, контролирующих такие процедуры. [19] Сюда входят такие изменения, как донорство органов, трансплантация костного мозга и виды генной терапии, все из которых учитывают культурные и религиозные ценности. [19] С другой стороны, существуют разногласия вокруг наследственной модификации генов, примером которой является тот факт, что 19 стран объявили этот тип генетической модификации вне закона. [19] Для тех, кто считает, что жизнеспособность человеческого эмбриона эквивалентна жизнеспособности взрослого человека, редактирование генома на ранних стадиях развития, происходящее во время или сразу после оплодотворения, вызывает моральные опасения. [13] Чтобы смягчить эти опасения, в исследованиях с использованием человеческих эмбрионов использовались эмбрионы, оставшиеся после лечения ЭКО . [13] Ученые также предложили создавать оплодотворенные зиготы из донорской спермы и яйцеклеток исключительно в исследовательских целях. [13] Однако это вызывает дополнительную этическую озабоченность в научном сообществе по поводу концепции создания зиготы только для использования в экспериментах. [13]
Продукты питания
[ редактировать ]Дебаты также ведутся вокруг генетически модифицированных продуктов питания с точки зрения противоречивых последствий для здоровья и окружающей среды, которые они могут оказывать в различных временных масштабах. [24] Были приняты правила одобрения генетически модифицированных продуктов питания, чтобы уменьшить некоторую неопределенность, которая остается в этой области. [25] Причины в пользу разработки генетически модифицированных продуктов питания включают удовлетворение потребностей экспоненциально растущего человеческого населения, замену сокращения сельскохозяйственных земель и решение проблемы уменьшения генетического разнообразия, которое ограничивает возможное улучшение видов. [24] Дополнительные преимущества включают улучшенную толерантность к гербицидам, повышенную устойчивость к вредителям и бактериям, грибкам и вирусам, более высокую стрессоустойчивость и повышенное содержание питательных веществ в организме. [26] Биотехнология генной инженерии дает возможность достичь глобальной продовольственной безопасности путем решения этих проблем и положительного влияния на экономику производства продуктов питания. [24] Также исследуются потенциальные риски для здоровья, и существуют требования к безопасности генетически модифицированных продуктов, которые необходимо уточнить до того, как они будут потребляться населением. Также учитываются экологические последствия нарушений в пищевой сети, когда эти организмы добавляются в ранее сбалансированную экосистему. [24] Поскольку генетическая модификация происходит очень быстро, окружающая среда может быть не в состоянии адаптироваться и интегрировать новый организм в экосистему, или это может оказать нежелательное воздействие на окружающую среду. [26] Другие воздействия на окружающую среду включают неестественный поток генов, изменение химического состава почвы и воды, а также сокращение видового разнообразия. [25]
Будущие последствия модификации
[ редактировать ]Этические соображения относительно редактирования генов во многом вызывают споры в научном сообществе из-за его неопределенных последствий для остального общества. [19] Хотя консенсуса достичь не удалось, существуют планы по использованию имеющихся ресурсов для продолжения образования, научных исследований, а также исследований по этическим, правовым и социальным вопросам, связанным с генетической модификацией. [20]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д и Тиходеев, Олег (март 2015 г.). «Кризис термина «мутация» и его разрешение в контексте дифференциальной концепции изменчивости» . Обзоры бюллетеней по биологии . 5 (2): 119–129. дои : 10.1134/S2079086415020103 . S2CID 18758862 .
- ^ Эллисон, Лизабет А. (2012). Фундаментальная молекулярная биология . Соединенные Штаты Америки: John Wiley & Sons, Inc., стр. 354–355. ISBN 9781118059814 .
- ^ Далзил, Энн К.; Роджерс, Шон М.; Шульте, Патрисия М. (2009). «Связь генотипов с фенотипами и приспособленностью: как механистическая биология может повлиять на молекулярную экологию». Молекулярная экология . 18 (24): 4997–5017. дои : 10.1111/j.1365-294X.2009.04427.x . ISSN 1365-294X . ПМИД 19912534 . S2CID 23160826 .
- ^ Jump up to: а б с «Причины мутаций – Понимание эволюции» . 15 марта 2021 г. Проверено 17 февраля 2022 г.
- ^ «Экологический контроль экспрессии генов | Изучайте науку в Scitable» . www.nature.com . Проверено 17 февраля 2022 г.
- ^ Певец, Бертон Х.; Рифф, Кэрол Д.; Здоровье, Комитет Национального исследовательского совета (США) по будущим направлениям исследований в области поведенческих и социальных наук в Национальных институтах (2001 г.). Экологически индуцированная экспрессия генов . Издательство национальных академий (США).
- ^ Олден, Кеннет; Фройденберг, Николас; Дауд, Дженнифер Бим; Шилдс, Александра Э. (май 2011 г.). «Обнаружение того, как воздействие окружающей среды изменяет гены и может привести к новым методам лечения хронических заболеваний» . Дела здравоохранения . 30 (5): 833–841. дои : 10.1377/hlthaff.2011.0078 . ПМЦ 3877678 . ПМИД 21555469 .
- ^ Jump up to: а б «Генетическая мутация | Изучайте науку в Scitable» . www.nature.com . Проверено 26 февраля 2022 г.
- ^ «Продукты питания генетически модифицированные» . Всемирная организация здравоохранения. 1 мая 2014 г.
Что такое генетически модифицированные (ГМ) организмы и ГМ-продукты?
- ^ Jump up to: а б с д и «Что такое генная инженерия?» . yourgenome.org . Проверено 19 сентября 2019 г.
- ^ Jump up to: а б с д и «Как сделать ГМО» . Наука в новостях . 09.08.2015 . Проверено 14 ноября 2019 г.
- ^ Jump up to: а б Нотт, Гэвин Дж.; Дудна, Дженнифер А. (31 августа 2018 г.). «CRISPR-Cas определяет будущее генной инженерии» . Наука . 361 (6405): 866–869. Бибкод : 2018Sci...361..866K . дои : 10.1126/science.aat5011 . ПМК 6455913 . ПМИД 30166482 .
- ^ Jump up to: а б с д и Манси, Меган; Гингелл, Кристофер (01 октября 2018 г.). «Этические проблемы генетической модификации и почему ее применение имеет значение» . Текущее мнение в области генетики и развития . Перепрограммирование, регенерация и восстановление клеток. 52 : 7–12. дои : 10.1016/j.gde.2018.05.002 . ISSN 0959-437X . ПМИД 29800628 . S2CID 44075935 .
- ^ «Адаптация к сорнякам - одуванчик | Комплексное управление культурами» . Crops.extension.iastate.edu . Проверено 17 февраля 2022 г.
- ^ Jump up to: а б Энтин, Джон. «ГМО, да!» . Обычный читатель . Проверено 24 октября 2019 г.
- ^ Jump up to: а б с «О серповидноклеточной анемии» . Genome.gov . Проверено 21 февраля 2022 г.
- ^ Луццато, Лусио (2012). «Серповидно-клеточная анемия и малярия» . Средиземноморский журнал гематологии и инфекционных заболеваний . 4 (1): e2012065. дои : 10.4084/MJHID.2012.065 . ПМК 3499995 . ПМИД 23170194 .
- ^ Джонсон, Ирвинг С. (11 февраля 1983 г.). «Человеческий инсулин, полученный методом рекомбинантной ДНК». Наука . 219 (4585): 632–637. Бибкод : 1983Sci...219..632J . дои : 10.1126/science.6337396 . ПМИД 6337396 .
- ^ Jump up to: а б с д и Коллер, Барри С. (27 января 2019 г.). «Этика редактирования генома человека» . Ежегодный обзор медицины . 70 (1): 289–305. doi : 10.1146/annurev-med-112717-094629 . ISSN 0066-4219 . ПМИД 30691366 . S2CID 59339196 .
- ^ Jump up to: а б Ховард, Хайди С.; ван Эль, Карла Г.; Форцано, Франческа; Радойкович, Драгица; Риал-Себбаг, Эммануэль; де Верт, Гвидо; Борри, Паскаль; Корнел, Мартина С.; Комитет общественной и профессиональной политики Европейского общества генетики человека (январь 2018 г.). «Одно маленькое изменение для людей, одно гигантское изменение для человечества? Вопросы и моменты, которые следует учитывать, чтобы найти ответственный подход к редактированию генов у людей» . Европейский журнал генетики человека . 26 (1): 1–11. дои : 10.1038/s41431-017-0024-z . ПМК 5839051 . ПМИД 29192152 .
- ^ «Игра с генами: хорошее, плохое и ужасное» (PDF) . ООН.орг . Frontier Technology Quarterly: Отдел экономического анализа и политики, Департамент по экономическим и социальным вопросам. Май 2019.
- ^ Лян, Пупин; Чжан, Сия; Дин, Чэньхуэй; Чжан, Чжэнь, Цзе; Чэнь, Ли, Юйцзин; 5 генов в трехядерных зиготах человека» 6 . : ) . : 10.1007 /s13238-015-0153-5 . ISSN 1674-8018 «CRISPR/Cas9 - 090 doi опосредованное редактирование ( 363–372 .
- ^ «Каковы этические проблемы редактирования генома?» . Genome.gov . Проверено 14 ноября 2019 г.
- ^ Jump up to: а б с д Чжан, Чен; Вольхутер, Роберт; Чжан, Хан (01 сентября 2016 г.). «Генетически модифицированные продукты: критический обзор их перспектив и проблем» . Пищевая наука и здоровье человека . 5 (3): 116–123. дои : 10.1016/j.fshw.2016.04.002 . ISSN 2213-4530 .
- ^ Jump up to: а б Цацакис, Аристидис М.; Наваз, Мухаммад Амджад; Тутельян Виктор Алексеевич; Голохваст Кирилл С.; Каланци, Ольга-Иоанна; Чанг, Дак Хва; Кан, Сон Джо; Коулман, Майкл Д.; Тышко, Надя; Ян, Сын Хван; Чунг, Гюхва (01 сентября 2017 г.). «Воздействие на окружающую среду, экосистему, разнообразие и здоровье от выращивания и использования ГМО в качестве корма и продуктов питания» . Пищевая и химическая токсикология . 107 (Часть А): 108–121. дои : 10.1016/j.fct.2017.06.033 . ISSN 0278-6915 . ПМИД 28645870 .
- ^ Jump up to: а б Уил, Альберт (30 ноября 2010 г.). «Этические аргументы, имеющие отношение к использованию ГМ-культур» . Новая биотехнология . ТРАНСГЕННЫЕ РАСТЕНИЯ ДЛЯ ПРОДОВОЛЬСТВЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ В КОНТЕКСТЕ РАЗВИТИЯ. 27 (5): 582–587. дои : 10.1016/j.nbt.2010.08.013 . ISSN 1871-6784 . ПМИД 20850572 .