Модификации (генетика)

Термин «модификации» в генетике относится как к естественным, так и к сконструированным изменениям в ДНК. Случайные или естественные мутации происходят из-за ошибок во время репликации и восстановления, как спонтанно, так и из-за стрессовых факторов окружающей среды. Преднамеренные модификации производятся в лаборатории для различных целей, выведения более выносливых семян и растений, и все чаще для лечения человеческих болезней. Использование технологии редактирования генов остается спорным.

Модификации — это изменения в ДНК индивидуума из-за случайной мутации или преднамеренной генетической модификации с использованием различных биотехнологий. ^[1] Хотя существует путаница между терминами «модификация» и «мутация», поскольку они часто используются взаимозаменяемо, модификация отличается от мутации, поскольку она действует как обобщающий термин, охватывающий оба определения мутации и генной инженерии. ^[1] Обе эти подкатегории приводят к изменению, влияющему на наблюдаемые характеристики организма, также известные как его фенотип , вызванные изменениями в генотипе организма или его конкретных аллелях, что приводит к изменению экспрессии генов. ^[2] Хотя наследуемость играет большую роль в экспрессии индивидуума, как и в случаях эпигенетических модификаций, не все случаи модификации являются наследуемыми. Независимо от происхождения такой вариации на генетическом уровне, она явно влияет на создание и взаимодействие белков, изменяя функцию клеток, фенотип и функцию организма. ^[3]

Генетические модификации могут происходить естественным образом, посредством вышеупомянутых мутаций в геноме организма, или посредством биотехнологических методов выбора интересующего гена для манипуляции с целью создания чего-то нового или улучшения того, что уже существует. ^[1] Это различие между изменениями, которые происходят естественным образом, и теми, которые являются преднамеренными, является ключом к пониманию разницы между мутацией и генной инженерией. ^[1]

Мутацию можно точнее определить как любое некомбинаторное изменение фенотипа, которое может последовательно передаваться по наследству от родителя к потомству на протяжении поколений. ^[1] Мутации могут быть вызваны многими факторами и иметь множество различных форм, однако в основном их можно отнести к ошибкам, возникающим во время репликации ДНК или воздействия внешних факторов. ^[4] Поскольку клеточные процессы очень эффективны, они несовершенны, что приводит к различиям между организмами одного вида. ^[4] Эти различия могут вызывать множество различных фенотипических эффектов разной интенсивности, начиная от отсутствия видимого воздействия до возможной нежизнеспособности. ^[4] Из-за условий окружающей среды, таких как климат, диета, уровень кислорода, световые циклы и мутагены или химические вещества, которые тесно связаны с восприимчивостью к болезням, экспрессия генов может меняться. ^{[5] [6]} Время и продолжительность воздействия таких элементов являются критическим фактором, а также могут существенно влиять на фенотипический ответ организма, как правило, увеличивая тяжесть со временем. ^[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] Эти источники мутаций могут вызывать множество различных типов мутаций , которые влияют на экспрессию генов как в больших, так и в малых масштабах. ^[8]

Генная инженерия — это тип преднамеренной генетической модификации, при котором биотехнология используется для изменения генома организма. ^{[ требуется ссылка ]} Согласно 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 путем спаривания и/или естественной рекомбинации». ^[9] Этот тип модификации может включать вставки или удаления оснований ДНК в существующий генетический код. ^[10] В биотехнологической методологии для создания генетически модифицированного организма (ГМО) используется серия из четырех шагов. ^[11]

1. 1. Идентифицировать
      1. Исследователи обычно определяют черту интереса на основе желания решить проблему. ^[11]
   2. Изолировать
      1. Исследователи определяют последовательность определенного признака, сравнивая геномы организмов одного вида, имеющих и не имеющих этот признак. ^[11]
   3. Вставлять
      1. Затем они используют последовательность(и) и различные ферменты для вставки генов признака в плазмидный вектор , который затем может быть вставлен в бактерии для распространения предпочтительного гена. ^[11]
   4. Расти
      1. Признаком создания успешного ГМО является рост и репликация с вновь отредактированным геномом без ущерба для организма из-за новой модификации. ^[11]

Методы:

Методы CRISPR являются широко используемым типом вышеупомянутого процесса редактирования генома. ^[12] Редактирование генов CRISPR, что означает «короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами», 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, делая их наиболее желательными, целенаправленно изменяя ДНК с высокой степенью точности. ^[13]

Одуванчик : большинство одуванчиков имеют длинные стебли, но увеличение потенциальных угроз в их среде обитания привело к тому, что средняя длина стебля одуванчика уменьшилась у некоторых видов, что позволило им лучше избегать указанных угроз. [ ^14] Эта адаптация стала возможной благодаря мутации, произошедшей у особи с более коротким стеблем, отобранной давлением окружающей среды. ^[15] Поскольку одуванчики с более коротким стеблем имели более высокую приспособленность, чем одуванчики с длинным стеблем, и могли выживать чаще, генетическая частота популяции была изменена, генетически модифицирована посредством первоначального возникновения мутации. ^[15]

Серповидноклеточная анемия : у здорового человека ген HBB отвечает за кодирование гемоглобина, который переносит кислород по всему телу. ^[16] Однако, когда человек имеет это заболевание из-за наследования двух мутировавших копий гена HBB из-за точечной мутации пары оснований, его красные кровяные клетки имеют другую форму. ^[16] Эта измененная форма приводит к блокировке кровотока с серьезными последствиями для здоровья. ^[16] С другой стороны, те, кто наследует только одну мутировавшую копию этого гена, имеют более высокую защиту от малярии . ^[17]

Болезнь Альцгеймера : в синтетическом примере в лаборатории ученые выделили ген белка-предшественника амилоида (APP), известный тем, что вызывает болезнь Альцгеймера у людей, и перенесли его в нервные клетки червей. ^[10] При этом ученые стремились изучить прогрессирование болезни Альцгеймера в этом простом организме, пометив белок APP зеленым флуоресцентным белком, что позволило им лучше визуализировать ген по мере старения червя. ^[10] Используя то, что они узнали из 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 связано с медицинским инсулином, который необходим диабетикам для медицинского контроля уровня сахара в крови. ^[18] Благодаря следующим шагам ученые могут генетически модифицировать медицинский продукт, на который полагаются миллионы людей по всему миру: ^[10]

1. Небольшой фрагмент ДНК извлекается из кольцевой формы бактериальной или дрожжевой ДНК, называемой плазмидой. Ученый извлечет эту ДНК, используя специфические рестриктазы.
2. Затем ученый вставит человеческий ген инсулина в образовавшийся пробел, оставленный извлеченной ДНК. Эта плазмида теперь считается генетически модифицированным объектом.
3. Генетически модифицированный объект повторно вводится в новую бактериальную или дрожжевую клетку.
4. Затем эта клетка подвергается митозу и быстро делится, вырабатывая инсулин, подходящий для нужд человека.
5. Ученые выращивают генетически модифицированные бактерии или дрожжи в больших ферментационных емкостях, которые содержат все необходимые им питательные вещества и позволяют выращивать большие объемы инсулина.
6. После завершения ферментации смесь фильтруют для получения конечного инсулина.
7. Затем инсулин очищается и упаковывается во флаконы и инсулиновые шприц-ручки для распространения среди пациентов с диабетом.

Быстрое развитие технологии редактирования генов CRISPR-Cas9 усилило как озабоченность, так и актуальность этого этического спора, поскольку он стал 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.

В апреле 2015 года технология редактирования генов была использована на человеческих эмбрионах, и с тех пор продолжаются дебаты об этичности таких действий. ^[22] Тем не менее, ученые и политики согласны с тем, что публичные обсуждения должны решать вопрос о законности редактирования генома зародышевой линии. ^[23] Изменение ненаследуемой ДНК человека с целью улучшения его состояния здоровья является общепринятым и имеет множество этических протоколов, контролирующих такие процедуры. ^[19] Это включает в себя такие модификации, как донорство органов, пересадка костного мозга и типы генной терапии, все из которых учитывают культурные и религиозные ценности. ^[19] С другой стороны, существуют разногласия вокруг наследуемой модификации генов, примером чего является тот факт, что 19 стран запретили этот тип генетической модификации. ^[19] Для тех, кто считает, что жизнеспособность человеческого эмбриона эквивалентна жизнеспособности взрослого человека, редактирование генома на раннем этапе развития, происходящее во время оплодотворения или сразу после него, вызывает моральные опасения. ^[13] Чтобы смягчить эти опасения, в исследованиях с использованием человеческих эмбрионов использовались эмбрионы, оставшиеся после процедур 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 относительно концепции создания зиготы только для использования в экспериментах. ^[13]

Дебаты также ведутся вокруг генетически модифицированных продуктов питания с точки зрения противоречивых последствий для здоровья и окружающей среды, которые они могут иметь в различных временных масштабах. ^[24] Были приняты правила для 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 населения, замену сокращения пригодных для обработки земель и решение проблемы сокращения генетического разнообразия, которое ограничивает возможное улучшение видов. ^[24] Дополнительные преимущества включают улучшенную устойчивость к гербицидам, повышенную устойчивость к вредителям и бактериям/грибкам/вирусам, более высокую устойчивость к стрессу 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] Потенциальные риски для здоровья также изучаются, и существуют требования к безопасности генетически модифицированных продуктов питания, которые должны быть выяснены до того, как они будут потреблены населением. Экологические последствия также рассматриваются из-за нарушений в пищевой цепи, когда эти организмы добавляются в ранее сбалансированную экосистему. ^[24] Поскольку генетическая модификация происходит так быстро, окружающая среда может не успеть адаптироваться и интегрировать новый организм в экосистему, или это может иметь нежелательные последствия для его окружения. ^[26] Другие воздействия на окружающую среду включают неестественный поток генов, изменение химии почвы и воды и сокращение видового разнообразия. ^[25]

Этические соображения относительно редактирования генов в значительной степени противоречивы в научном сообществе из-за его открытых последствий для остального общества. ^[19] Хотя консенсус не был достигнут, существуют планы по использованию имеющихся ресурсов для продолжения образования, научных исследований, а также исследований этических, правовых и социальных вопросов, связанных с генетической модификацией. ^[20]