Чтобы ответить на этот вопрос стоит рассмотреть схему иллюстрирующую концепцию выдвинутую в 1961 году Ф. Жакобом и Ж. Моно, которая получила название “концепции гена-оперона Жакобо-Моно”. (Приложение Б)
Согласно этой гипотезе кроме структурных генов, которые определяют последовательность аминокислот в молекуле белка, на ДНК существуют так называемые регуляторные гены или гены-регуляторы.
Участок гена-регулятора, который граничит со структурным геном называется оператором (оператор "включает" или "выключает" структурный ген). Оператор и структурные гены называются опероном.
Ген-регулятор содержит информацию о специальном белке-репресоре, который присоединяясь к оператору блокирует его активность - “выключает”. Если репресор не присоединяется к оператору, то он остается “включенным" - происходит транскрипция и синтез и-РНК с дальнейшей трансляцией.
Механизм блокирования оператора репресором довольно простой. В молекуле белка-репросора есть два активных участка. К одному из них может присоединяться молекула так называемого индуктора, а другим участком репресор присоединяется к оператору, который при этом блокирует весь оперон. Присоединение индуктора изменяет структуру репресора и он не способен присоединиться к оператору, и, таким образом, оператор “включает" структурный ген.
Функцию репресора могут выполнять продукты синтеза, которые появляются в излишке. Такие вещества носят название корепресоров.
Например, кишечная палочка синтезирует аминокислоту триптофан. При излишке этой аминокислоты она действует как корепресор, присоединяясь к белку-репресору. Потом они вместе присоединяются к гену-оператору и блокируют его активность.
В другом случае вещество, которое используется в метаболизме, присоединяется к репрессору и не дает ему возможности присоединиться к оператору. Оператор, на который теперь бездействует репрессор, “включает" синтез необходимых для метаболизма данного вещества ферментов. Примером такого механизма регуляции есть опять-таки кишечная палочка. При выращивании ее на питательной среде из глюкозы ген-оператор синтезирует соответствующий белок-репрессор. Он блокирует работу структурных генов и соответствующие ферменты не синтезируются. При внесении в питательную среду лактозы, она начинает действовать как индуктор, присоединяясь к репрессору. Оператор “освобождается” от репрессора и “включает" структурные гены, которые синтезируют ферменты для расщепления лактозы.
Более поздними исследованиями было установлено, что рядом с оператором расположен промотор. Он выполняет две функции. Первая - он предопределяет присоединение фермента (РНК - полимераза), который катализирует транскрипцию, вторая - он определяет спираль ДНК, с которой будет происходить транскрипция.
Еще один пример - функционирование гена, кодирующего образование инсулина (гормона, регулирующего содержание сахара в крови).
Специальная молекула-"посыльный", несущая сигнал о недостатке инсулина в крови, находит промотор гена, кодирующего инсулин, и присоединяется в определенном месте промотора, которое она может распознать. Это служит сигналом к включению механизма работы (экспрессии) гена. Когда инсулина в крови становится достаточно, поступает сигнал о "выключении" гена.
Селекционер, занимающийся выведением новых сортов растений или пород животных, может с помощью подбора родительских форм получить гибридное потомство, у которого активность отдельных генов выше или ниже по сравнению с обычным уровнем, характерным для какого-либо растения или животного. Это могут быть сорта картофеля с повышенным содержанием крахмала или сорта рапса, не содержащие в масле токсичные вещества типа эруковой кислоты. Но селекционер не может заставить листья того же рапса образовывать масло, которое обычно синтезируется в семенах, хотя в хромосомах клеток листа содержится вся нужная для этого информация. Конечно, можно попытаться "обмануть" растение, заставив его листья образовывать масло. Для этого необходимо у гена, кодирующего образование масло, поменять промотор, поставив его под промотор того гена, который функционирует в листьях. Однако здесь кончается традиционная селекция и начинается генетическая инженерия. [1, 2, 3, 4]
В основе традиционной селекции лежит поиск оптимального сочетания в одном организме генов, полученных от разных родительских форм. В этих целях проводят гибридизацию различных сортов или селекционных линий одного вида, обладающих какими-либо ценными признаками. Чем выше генетическая изменчивость внутри, тем, выше эффективность селекции.
Но есть виды сельскохозяйственных растений, у которых естественная внутривидовая изменчивость невысока (например, свекла). Многие ценные гены у видов культурных растений могут отсутствовать совсем (например, гены устойчивости к некоторым болезням). Поэтому в селекции получили широкое распространение методы, направленные на расширение генетического разнообразия вида с помощью экспериментального мутагенеза и отдаленной гибридизации. [2, 5]
Отдаленная гибридизация между культурными растениями и родственными дикими видами позволяет не только расширить генетическую изменчивость культурного вида, но, что наиболее важно, и привнести отдельные ценные гены от дикого вида, отсутствующие у культурного вида. Подобные скрещивания обычно являются весьма сложным делом, поскольку между видами существуют жесткие репродуктивные барьеры (невозможность развития пыльцы чужого вида, образование не жизнеспособных семян, образование фертильных семян).
Между видами существуют также жесткие барьеры, затрудняющие естественную рекомбинацию. Это означает, что хромосомы межвидового гибрида, полученные от разных видов, могут отличаться по количеству и гомологии (сходству). Отсутствие гомологии между хромосомами приводит к тому, что они не способны сближаться и обмениваться отдельными участками (а следовательно, и отдельными генами) в процессе образования половых клеток. В результате становится невозможным перенос нужных генов от дикого вида в генетический материал культурного вида. Поэтому отдаленная гибридизация может быть эффективна только в том случае, когда скрещиваются относительно близкие в эволюционном отношении виды. [5]
Проблема отсутствия рекомбинации у отдаленных гибридов может быть решена посредством удвоения у них количества хромосом. В этом случае каждая хромосома получит себе пару, и процесс образования половых клеток будет протекать нормально. Такие гибриды, объединяющие в своем геноме полные (т.е. двойные) наборы хромосом разных видов (их называют амфидиплоидами), широко распространены в природе. Наиболее известные из них - пшеница, слива. Селекционер, задумавший получить амфидиплоид с участием культурного и дикого вида, должен учитывать, что у этого гибрида помимо селекционно-ценных генов дикого вида будет присутствовать и полный набор нежелательных "дикарских" генов. Избавиться от них можно только путем возвратных скрещиваний с культурным видом, в ходе чего геном дикого вида замещается культурным и лишь отдельные ценные гены дикого вида сохраняются благодаря селекции. Однако эта процедура может быть эффективной только в случае относительно высокой гомологии хромосом скрещиваемых видов (то есть они должны быть относительно близкородственными). Круг замкнулся. Не случайно поэтому единственным амфидиплоидом, представляющим селекционную ценность из числа полученных искусственно, остается тритикале - гибрид между двумя культурными видами: пшеницей и рожью. [6, 7]
В случае экспериментального мутагенеза организм подвергается действию факторов, вызывающих различные нарушения в структуре ДНК: радиации, обработке химическими веществами, обладающими мутагенной активностью. Большинство индуцированных таким образом нарушений имеет неблагоприятные последствия для организма. Однако отдельные мутации могут быть весьма полезны с селекционной точки зрения.
Генетическая инженерия - это технология получения новых комбинаций генетического материала путем проводимых вне клетки манипуляций с молекулами нуклеиновых кислот и переноса созданных конструкций генов в живой организм, в результате которого достигается их включение и активность в этом организме и у его потомства.
Первый этап создания генно-инженерных организмов - выделение и идентификация отдельных генов (соответствующих фрагментов ДНК или РНК), которые собираются перенести другим организмам. Для этого из организмов, обладающих такими генами, с помощью специальных химических методов выделяют нуклеиновые кислоты и разрезают их на отдельные фрагменты, используя наборы ферментов - рестриктаз.
В 1973 году получена первая функционально активная молекула рекомбинантной ДНК.Г. Бойер и С. Коэн (США) сумели "пришить" к плазмиде E. coliфрагмент ДНК плазмиды другой бактерии и обнаружили, что такая химерная плазмида могла успешно функционировать в клетках E. coli, размножаться и передаваться другим клеткам как естественным путем, так и с помощью человека. Это означало, что таким образом можно получать многочисленные копии любых генов, то есть клонировать гены, нарабатывать требуемые для последующих манипуляций объемы генетического материала. В генетической инженерии в настоящее время используют различные микроорганизмы для клонирования генов, но чаще всего для этой цели привлекают хорошо изученную бактерию пищеварительного тракта человека - E. coli (кишечную палочку).
Ученые научились не только выделять и клонировать нужные гены, но и всесторонне их изучать: определять последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК и аминокислот в белке, который кодирует ген, механизм регуляции его активности.