Дамудың молекулалық биологиясы және биотехнология жетістіктері

Онтогенетикалық жіктелу (дифференцировка) дегеніміз— даму барысында организмде (немесе жеке бөлігінде) морфологиялық өзгешеліктердің (мүшелердің) пайда болуы. Онтогенездіңбарысындаклеткаларментканьдер мүшеленуініңгенетикалықмеханизмдеріөтекүрделі. Онтогенезді генетикалық зерттеудің бастапқы кезеңі: бір ген— бір белгі, немесе ген ДНҚ-РНҚ-белок-.белгі заңдылығына сәйкес белгінің қалыптасуындағы геннің әсеріне талдау жасау болып табылады.Клеткалардың жіктелуі (мүшеленуі) деп ұрықтанған жүмыртқа клеткасының беліну кезеңіндегі бірте-бірте бір бірінен айырмашылығының қалыптасудың соңында әр түрлі”мамандандырылған”арнаулытканьдердің пайдаболу процесін айтады. Микроскоп арқылы бір организмнің тканьдарының клеткалары бір бірінен құрылысы, көлемі, сырт пішіні өзгеше екенін көруге болады. Сонымен катар әр түрге жататын жануарлардың бір түрлі тканьдерінің клеткаларының ұқсастығы байқалады. Бүл клеткалардың әр түрінің өзіне тән ерекше қызмет атқаруына бейімделуіне байланысты. Клеткалардың жіктелу механизмін анықтау қазіргі биологияның басты мәселелерінің бірі. Жіктелу қайтымсыз процесс болғандықтан кейбір авторлар жіктелу негізінде әрбір клеткаларғагендердің әр турлі саны болады деп түсінген. Бүл ұғымның қисықтығы дәлелденді. Біздің ғасырдың басында орбір сомалық клетканың ұрықтанған жұмыртқа клеткасындағыдай мөлшерде хромосомалары болатыны көрсетілді. Клеткалардың ясіктелуі кезінде гендердің түсіп қалуы женіндегі сұраққа арнаулы эксперименттерде ядроларды ауыстырып салу жауап берді. Дж. Гердон (1962) ультракүлгін сэулемен бақаның жүмыртқа клеткасының ядросын бүзып, оның орнына жаңа туған бақаның (головастик) ішек эпителиінің ядросын отыргызды. Қалыпты бақалардың дамуын осы ядролардың азғана проценті қамтамасыз етті. Бүл зерттеулер ішек клеткаларыныңядроларыорганизмдегібарлықклеткалартипінің жіктелуіне жететін гендері бар екенін көрсетті.Кейінгі жұмыстарында Гердон алғашқы он рет бөлінгенде бақа эмбрионының дамуында ядроларда РНҚ синтезделмейтінін көрсетті.Клетка бұл кезеңде жылдам бөлініп ДНҚ-ны еселейді. Сонымен қатар клеткаларда белок синтезделе береді, оны аналық геномдағы жұмыртқа клеткасының ДНҚ-сында ұрықтанғанға дейінгі пайда болған РНҚ атқарады. Ұрық ядроларында иРНҚ синтезі орта бластула сатысында басталады. Соңғы бластула сатысында жаңа тРНҚ және гаструла сатысында рРНҚ түзіледі де жаңа рибосомалар пайда бола бастайды. Бүл кезде ұрықтың алғашқы клеткаларының үш типі жіктеліп бітеді: эктодерма, эндодерма және мезодерма. Алғашқы зерттеулерде негізгі эксперименттер тікен терілер мен (теңіз кірпілері), қосмекенділерге (бақа, саламандралар) жүргізілді, себебі олардан жүмыртқа клеткаларын алып ұрықтандыру және ұрықтың даму кезеңін бақылау оңай. Құстардың эмбриогенезі жұмыртқаның қалың қабыршығы астында, ал сүтқоректілердікі анасының жатырында өтеді. Бұл олармен жұмыс істеуді киындатады. Тек кейінгі жылдарда ғана тышқандар ұрықтарының ерте сатысын бақылайтын әдіс жасалды.

Көп клеткалы организмнің барлық клеткаларында гендердің ұқсас жиынтықтары болады, бірақ түрлі уақытта әр түрлі тканьдерде сан алуан гендер әрекет етеді, солардың арқасында жіктелу іске асады. Ген әсерінің реттелуі әр түрлі: репликация, транскрипция және трансляция деңгейлерінде болады.

Жануарлар мен өсімдіктердің кейбір түрлерінің мүшеленген тканьдарының клеткаларында эндомитоз және политения құбылыстары байқалады. Мәселен кейбір өсімдіктердің крахмал түзетін клеткаларында, сүтқоректілердің бауыры мен ішек эпителиінде эндомитоз жүреді, соның нәтижесінде полиплоидия орын алады. Бүндай жағдай сілекей бездерінің интенсивті қызмет жасап жатқан ядроларына, ішекке және қосканаттылар личинкала рының малпигий түйіршіктеріне де тән. Осы мысалдардың бәрі хромосомалардың күйі мен санының организм сомалық клеткаларының морфофизиологиялық жіктелуімен сөзсіз байланысы бар екенін көрсетеді.

Жекелеген гендердің көбею құбылысы — гендердің амплификациясы анағұрлым кең таралған. Дрозофиланың алып хромосомаларындағы пуфтардың пайда болуы. Личинкалардың дамуындағы әрбір саты әртүрлі пуфтардың белсенділігімен сипатталады. Әр сатыда гендердің әр түрлі қатынасатынын сипаттайды. Кейбір омыртқалылардың ооциттерінде “шам жіпшелері” типтес хромосомалар табылды. “Шам жіпшелерінің” ілмектері хромосоманың шиыршығы жазылған бөліктері болып табылады. Олардан иРНҚ-ның көп мелшері табылды, демек гендер белсенді түрде қызмет етеді.

Онтогенездің дербестілігі даму стадияларының (гр. “стадион” —кезең) болуына байланысты, ол жіктелу мен морфогенез процестері бойынша бір-бірінен өзгешелігі болатын жекеленген кезеңдер деп аталады. Толық түрленулері (метаморфоз) бар насекомдардағы эмбрионалдық (ұрпақтық), личинкалық, қуыршақтық және имагиналдылық (лат. “имаго” — бейне, түр) кезеңдер дамудың айқын мысалы болып табылады.

Стадиялық өзгерістер бірінен кейін бірі келетін қатаң қайтымсыз өзгерістер. Эмбриологтардың бақылауларына қарағанда ортаның күрт өзгеруі эмбриондық дамудың белгілі бір кезенде ұрықты өлуге немесе әр түрлі кемтарлыққа үшырататыны анықталды. Бұл кезендер кезінде ортаның өзгеруіне ұрықтың өте сезімталдығы байқалады және ондай кезеңдер зерттелген омыртқалылардың бәрінен – балықтардан, қосмекенділерден, құстардан, оның ішінде тауықтан табылды. Мұны қатерлі кезеңдер деп атайды. Бұл кезеңдер соңғы бластулада көрініп, негізгі морфогенез процесінің алдын алады. Тауықта қатерлі кезеңде — инкубацияның 2-3-ші күні қан айналым жүйесі қалыптасқанда; 8-9-шы күні құстарға тән мүшелер мен тканьдер айқын жіктелерде; 19-шы күні жіктелу процесі қайта ұлғайған және дем алу типі өзгерер кезде. Сонымен қатерлі кезендер морфогенездің негізгі өзгерістерінің алдында — зат алмасуы мен синтезінің қайта құрылуы жүргенде болады. Осы кезеңдерде физиологиялық процестер нашарлап РНҚ-ның мөлшері азаяды. Қатерлі кезенде құс эмбриондары инкубация тәртібінің өзгеруіне — температура және ауаның ылғалдылығына, жұмыртқаларды желпуге өте сезімтал болады.

“Биотехнология” атауын ең алғаш венгр Карл Эреки 1919 жылы тірі организмдердің көмегімен өндірілетін жұмыстарды анықтау үшін қолданған. 1986 жылғы шығарылған Биологиялық энциклопедиялық сөздікте, биотехнология деп өндірістегі биологиялық процестсрді және тірі организмдерді қолдануды айтады. Европалық биотехнология одағы (ЕҒВ) осы күнгі биотехнологияны табиғаттану ғылымдарын (биологияны, химияны, физиканы) және инжснерлік ғылымдарды (мысалы электрониканы биоөнеркәсіптегі биожүйелерге қолдану деп біледі, ал Европалық комиссия (ЕС) — биологиялық қауымдастықты қажетті өнімдермен және қызметтермен қамтамасыз ету деп толықтырады.

Биотехнология алғашқы кезеңде негізінен микробиологияның және энзимологияның жетістіктеріне сүйенсе, ал соңғы 20-25 жылда ол өзінің дамуына итеруші күшті қарқынды дамып келе жатқан биологиялык ғылымдардан алды, олар: вирусология, молекулалық және клеткалық биология, молекулалық генетика.

Бүгінгі биотехнология ғылыми-техникалық прогрестің алдынғы катарынан орын алады.

Ген инженериясының әдістерінің ашылуы биотехнология деген ерекше өндіріс түрінің дүниеге келуіне ықпал жасап отыр. Биотехнология дегеніміз микроорганизмдердің және таза белоктардың (ферменттердің) жүргізетін биологиялык процестерін халық шаруашылығының әртүрлі салаларында пайдалану.

Мал шаруашылығында алдағы 10-15 жыл ішінде биотехнологияның алға басуы (процесі) гендік, клеткалық және эмбриогенетикалық инженерияның дамуымен анықталмақшы.

Ген инженериясы молекулалық биологияның жаңа саласы. Ол лабораториялық әдіс арқылы генетикалық жүйелер мен түқымы өзгерген организмдерді алу жолын қарастырады. Ген инженериясының пайда болуы генетиканың, биохимияның, микробиологияңың және молекулалалық биологияның жетістіктерімен байланысты. Бүл атаудың екі түрі қол-данылады: “генетикалық инженерия” және “ген инжснериясы”. Соңғы кезде “генетикалық инженерия” жалпылама түрде колданылып жүр, ген инженериясы да осының ішінс кіреді.

Молекулалық биология ғылыми жетістіктерінің нәтижесінде пайда болған ген инженериясы организмнің бағалы қасиетін сақтап қана қоймай оған жаңа әрі саналы қасист те бере алады. “Инженерия” деген атау құрастыру деген мағынаны білдіреді. Яғни ген инженериясы дегенді ген кұрастыру дсп түсіну қажст. Ген инженериясының дәуірі басталмай тұрып 1969 жылы Г. Корана нуклеотидтерді белгілі бір жүйемен орналасқан ДНҚ синтезінің методологиясын жасап берген. Жекеленгсн дербес амин қышқылы — ашытқының аланиндік тРНҚ-ның бастауыш жүйесі ашылганнан кейін Г. Корана химиялық жолмен осы РНҚ-ның көлсмі 77 полинуклеотидтен тұратын кодтық бөлігін синтездеді. Кейіннен 1979 жылы осы лабораторияда ішек таяқшасының тирозиндік тРНҚ-сы синтезделді және ол Т4 бактериофагының құрамына енгізіліп, бактерияның клеткасында жұмыс істеді.

Ген инженериясының дүниеге келген уақыты 1972 жыл деп есептеледі. Сол жылы Т. Берг алғаш рет пробиркада үш түрлі микроорганизмнің ДНҚ-ларыньщ фрагменттерінен жаңа гибридтік ДНҚ құрастырды. Бірақ маймылдың ,рак вирусының, бактериофагтын, және ішек бактериясының гендік ДНҚ-ларынан құрастырылған ол гибридтік ДНҚ-ның клетка ішінде ойдағыдай жұмыс істей алатындығы тексерілмеді, себебі құрамында рак вирусының нуклеин қышқылы болғандықтан ғалымдар тәуекелге бармады.

Клеткада жұмыс істей алатын гибридтік ДНҚ-ны 1973-74 жылдары С. Коэн мен Г. Бойер құрастырды. Олар басқа организмнен бөліп алған ДНҚ фрагментін (генін) бактерия плазмидасының құрамына енгізді. Ол плазмидадағы бөтен гендердің алғаш рет жаңа организм ішінде жұмыс істей алатынын көрсетті. Соның артынша-ақ дұние жүзінің көптеген ла-бораторияларында жүмыс істей алатын әр түрлі плазмидалар алынды. Совет елінде ондай бөтен гені бар плазмида академик А.А. Баевтың басшылығымен жасалды.

Ген инженериясы деп рекомбинантты ДНҚ-лар жасап, оларды басқа тірі клеткаларға енгізуді айтады.

Ген инженериясы шешетін мәселелер:

1) генді химиялық немесе ферментті қолдану жолымен синтездеу;

2) әр түрлі орғанизмнен алынған ДНҚ фрагменттерін бір-бірімен жалғастыру (ДНҚ рекомбинантгарын алу);

3) бөтен генді жаңа клеткага векторлық ДНҚ аркылы жеткізу және олардың қызмет жасауын қамтамасыз ету;

4) клеткаларға гендерді немесе генетикалық жүйелерді енгізу және бөтен белокты синтездеу;

5) бөтен генге ие болған клеткаларды таңдап бөліп алу жолдарын ашу.

Биотехнологияның болашағы бар бағыггарының бірі жасанды химерлерді алу. Химера деген түсінік құрама жануар дегенді білдіреді. Жануарлар бір тұқымнан, сондай-ақ әртүрлі тұқымнан немесе тіпті әр түрдің өкілдері болуы мүмкін. 8-клеткалы эмбриондарды протеолиттік ферменттері (протеиназа, трипсин) бар ортада тәрбиелеп өсіреді, ферменттср жұмыртқа клеткасының қабығын қорытады. Қабығынан айырылған эмбриондар бір-бірінс жабысады және біраз уақыттан кейін бірігеді, олардын клеткалары бір-бірімен араласады. Егер әртүрлі генетикалық ұялардан алынған эмбриондарды пайдаланса, қос эмбрион-химера пайда болады. Аналыққа трансплантацияланғаннан кейін мұндай эмбриондар жатырға орналасады (имплантацияланады лат. іт — ішіне, ріапіаге – отырғызу) және әрі даму барысында олардың өсуі түзеледі. Химер жануарларда екі эмбрионынның белгілері болады, яғни 4 ата-ананың ұрпағы деген сез.

Жасанды жолмен химерлер алудың екі негізгі әдісі бар:

1) аггрегациялық — толыққанды эмбриондарды біріктіру;

2) инъекциялық – эмбрионға басқа эмбрионның немесе бөгде клетканың бір немесе бірнеше клеткаларын енгізеді.

Екі әдіс бойынша да біріккен эмбриондар (екі немесе көп) клеткаларынан тұратын жануарлар пайда болады. Бірінші әдіспен лабораториялық тышқандардың химерлері алынған, агути (сұр) және қара тышқандар химерлері — шұбарала түсті болған.

Ағылшын эмбриологы Р. Гарднер (1968) химерлерді инъекциялық әдіспен алуды ұсынды. Бұл әдістің көмегімен тышқанның эмбрионына адам клеткалары енгізілген, химерлік тышқан туғаннан кейін оның тканьдарында адам гендері қызмет жасаған).

К. Маркерттің лабораториясында (Йель университеті, АҚШ) “үшқабат” химера-тышқандардың үш ұясының эмбриондарын біріктірудің нәтижесінде алынды. Туған тышқанның (алты ата-аналардың ұрпағы) жүні үш түсті болған. Теория бойынша құрамында 8 және, мүмкін, 16 ата-аналардың гендері болатын жануарларды жасауға болатыны айтылады.

1980-1982 жылдары құрамында тышқанның екі түрінің —белгілерін біріктірген химерлік жануарлар алынды. 1983 ж. С. Вилландсен тобы (Англия, Кембридж) алғашқы ауылшаруашылық малдарынын химерлерін алды. Қойдың (2п =54) және ешкінің (2п =60) эмбриондарының клеткаларын біріктіріп және химерлік эмбрионды екі түрінде аналығының жатырына салу (трансплантациялау) нәтижесінде (химерлік эмбрионның құрылысына бай-ланысты) екі түрге де тән белгілері бар жануарлар (қой, ешкілер) туды. Біреуінде басы, мүйізі, құйрығы және жүні денесінің кейбір жерлерінде – ешкінікі, ал қалған бөлігіндс -қойдың жүні. АҚШ-та 1987 ж. қой, ешкі химері және қойлардың рамбулье, финландрасы тұқымдарының химерлері алынды. Ресейде кара-ала түсті және қызыл түсті ірі қара мал тұқымдарынан химерлі бүзау алынды. Оның фенотипінде қара-ала түскен қатар қызыл дақтар бар (Л.К. Эрнст, 1987).

Химерлік жануарлар — вегетативтік гибридтер, олар мозаиктік белгілерін ұрпақтарына бермейді. Олардың ұрпақтарында белгілердің ажырасуынан мозаикалы емес тұлғалар туады. Химерлік жануарлар бірінші ұрпақта ғана өмір сүргенмен олардың практикалық маңызы зор:

1)бірнеше құнды белгілер: өнімділік, ауруға төзімділік т.с.с. бір организмде әдетте кездеспейді, ал химерлерде олар-дың көрінуін күшейтуге болады;

2) әртүрліжануарлардынэмбриондарынжергілікті түқымның эмбриондарымен біріктіріп малдың жерсінуін (ак-климатизация) тездетуге болады және;

3) эмбриондарды біріктіру жолымен — жақын түрлермен немесе сол түрдің өзімен құнды ауылшаруашылық малдары-ның немесе сиреп бара жатқан тағы жануарлардың генофон-дын “құтқаруға” болады, егер олардың эмбриондары жарақат-тану немесе мутацияның кеселінен, өздігінен көбеюге жарам-сыз болса.

Басқа геномға белгілі бір геномнан алынған немесе жасанды түрде құралған (синтезделген) гендерді экспериментальды тасымалдау -трансгеноз деп аталады. Геномына бөгде гендер енгізілген жануарлар трансгенді делінеді.

Трансгенді жануарларды алу технологиясы қазіргі кезде жақсы жолға қойылган. Клонданған гендерді жұмыртқа клеткаларына немесе алғашқы сатыдағы эмбриондарға енгізудің бірнеше әдісі табылған. Бөгде ген реттеушісіне байланысты әртүрлі тканьдарда қызмет атқарады. Мысалы, егерде тасымалданған генге, оның қайдан алынғанына байланыссыз (бак-териядан, өсімдіктен, адамнан, жануардан) қалыпты жағдайда бауырда қызмет атқаратын тышқан генінің реттеушісін жалғаса, онда көшіріп орнатылған ген трансгенді жануардың бауырында жұмыс атқарады. Демек, кез келген генге реттеуші элсмент тауып, оның, қалау бойынша, қай оргаида жұмыс істейтінін алдын ала “жоспарлауға” болады.

Бұл бағытта болашағы зор әдістер — микроинъекция мен мембрана инженериясы болып табылады. . Дегенмен, олардың бәріндс ДНҚ молекулаларының құрамы (геномы) сол күйінде қалады. Ягни, бастапқы ұрықтанған бір клетка кезіндс оған бөтен ген енгізсе, ол өсіп жетілгсн организмнің барлық клеткаларында болады. Осылай тышқанның ұрықтанған аналық клеткасына адамның самототропин генін енгізу арқылы алып тышқандар алынды. Осылай сәйкес гормонды малдардың да ұрыктанған аналық клеткасына енгізіп, олардың да ірі түрін өсіруге болады.

Р. Хаммер және Г. Брем қызметтестерімен адамның өсу гормонын микроинъекциялау арқылы трансгенді үй қояндарының көжектерін алды. ВИЖдің биотехнология лабораториясында ірі қара малдың өсу гормонын енгізу арқылы трансгенді қоян алынған және ол ген жаңа организмде жұмыс істеген (Л.К. Эрнст және басқалары, 1990).

Трансгенді шошқалар, адамның өсу гормонын инъекциялау негізінде, Р. Хаммердің (1985) және Г. Бремнің (1986) лабораториясында алынды. Бұл шошқалардың кейбіреуінің қанының плазмасында адам гормонының жоғарғы деңгейде екені анықталған.

Ірі қара малмен жұмыс істегенде, пронуклеустарды көру үшін ДНҚ-ға ерекше флуоресценттік бояу қолданады және зиготаларды центрифугалайды. 1987 жылы сүт-етті бағыттағы алғашқы трансгенді бұзау алынды.

Австралияда дүние жүзінде алғаш рет трансгенді қойлар алынды. Мұндай койлар 2-4 жасында осы тұқымға жататын құрбыларынан 1,5 есе ауыр болған. Ғалымдардың айтуы бойынша, жуық арада жүн өсіретін, ауруға қарсы тұратын гендерді де қойларға трансплантациялауға болады .Тревор Скотт (1986).

Трансгенді қойлардың сүтінен қан ұйытатын факторды өндіру биотехнологиясы жете зерттелуде.

Мамандардың айтуынша, трансгенді ауылшаруашылык малдары — XXI ғ. тірі биотехнологиялық фабрикасы болуы керек, олар экологиялык жағынан ең таза, құнды белок препараттарын өндіретін негізгі көз болуы тиіс. Бүгін оның іргетасы қаланып және әдістемелік негіздері жасалынған, тек осы ғылыми-техникалық жетістіктерді ауыл-шаруашылық малдарымен істелетін жұмыстармсн ұштастыру солардың деңгейіне жеткізу керек.