Генетика как наука и её значение для теории и практики в животноводстве

Лекция 1-2

Генетика как наука и её значение для теории и практики в животноводстве

Генетика – это биологическая наука о наследственности и изменчивости организмов и методах управления ими.

Генетика по праву может считаться одной из самых важных областей биологии. Она является научной основой для разработки практических методов селекции, т.е. создания новых пород животных, видов растений, культур микроорганизмов с нужными человеку признаками.

На протяжении тысячелетий человек пользовался генетическими методами для улучшения домашних животных и возделываемых растений, не имея представления о механизмах, лежащих в основе этих методов. Судя по разнообразным археологическим данным, уже 6000 лет назад люди понимали, что некоторые физические признаки могут передаваться от одного поколения другому. Отбирая определенные организмы из природных популяций и скрещивая их между собой, человек создавал улучшенные сорта растений и породы животных, обладавшие нужными ему свойствами.

Элементарными дискретными единицами наследственности и изменчивости являются гены.

Генетическая инженерия — это отрасль молекулярной биологии, в которой разрабатываются методы передачи генетического материала от одного живого организма к другому с целью получения новой генетической информации и управления наследственностью. Ее развитие связано с достижениями генетики, микробиологии и биохимии.

Методы генетической инженерии широко применяются в био­технологии (область научно-технического прогресса, использую­щая биологические процессы для промышленных целей). Мето­дом генетической инженерии во ВНИИ генетики и селекции промышленных микроорганизмов создан промышленный штамм кишечной палочки, продуцирующий аминокислоту 1-треонин (цо 30 г/л раствора), а также штамм — продуцент витамина Вг — рибофлавина. В Институте биоорганической химии создан штамм кишечной палочки, синтезирующий интерферон челове­ка. Созданы штаммы бактерий, продуцирующие аминокислоту лизин, гормон роста человека соматотропин, бактерии, превра­щающие целлюлозу в сахар, и т. д. Ведутся работы по введению в пекарские дрожжи генов, кодирующих такие белки, как оваль-бумин (белок куриного яйца) и миозин (белок мышц). Получены штаммы бактерий, синтезирующие инсулин человека. Успешно разрабатываются методы микробиологического синтеза вакцин и сывороток.

В животноводстве методы генетики используют:

1) при выведении линий и пород животных, устойчивых к
болезням;

2) для уточнения происхождения животных;

3) при оценке производителей по качеству потомства;

4) при цитогенетической аттестации производителей;

5) в пушном звероводстве;

6) для изучения влияния экологически вредных веществ на
наследственный аппарат животных и т. д.

В настоящее время генетика занимается изучением следую­щих основных проблем:

1) проводятся обширные исследования в области генетичес­кой инженерии с целью получения в достаточном количестве
инсулина, интерферона, антибиотиков, витаминов, незаменимых
аминокислот, кормовых и пищевых белков, биологических
средств защиты растений и т. д.;

3) решается одна из стратегических задач генетики — регуляция и управление действием генов в онтогенезе. Необходимо выяснить пути реализации генетической информации в признак в процессе онтогенеза. Такие манипуляции уже проводят у амфибий, рыб,
мышей. Разрабатываются методы получения генетических копий
выдающихся по продуктивности и устойчивости к болезням жи­вотных;

4) решается проблема защиты наследственности человека и
животных мутагенного действия радиации и химических мута­генов среды;

5) исследуются вопросы борьбы с наследственными болезня­ми у человека и животных, создания линий, пород, устойчивых
к болезням.

Изменчивость, её классификация и значение в селекции

Изменчивостью называют общее свойство всех живых организмов приобретать различия между особями одного вида.

Ненаследственная (модификационная, фенотипическая).

Наследственная (мутационная, генотипическая).

Генетическая инженерия — это отрасль молекулярной биологии, в которой разрабатываются методы передачи генетического материала от одного живого организма к другому с целью получения новой генетической информации и управления наследственностью. Ее развитие связано с достижениями генетики, микробиологии и биохимии.

Обычно используют два термина —генетическая и генная инженерия. Первый из них используется в более широком смысле, т.е. в него входит и понятие генной инженерии. При этом к последней не относятся перестройки генома обычными генетическими методами (мутациями и рекомбинациями).

Рассмотрим основные генноинженерные подходы, которые в перспективе могут быть использованы в животноводстве. Известно, что генетический материал всех живых организмов сосредоточен в молекулах ДНК. Все клетки организма имеют идентичные копии таких молекул.

Поэтому основой проведения генноинженерных исследований является именно молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты. При этом придерживаются такой последовательности: сначала выделяют гены из отдельных клеток или синтезируют их вне организма, потом включают новые гены в вектор (молекула ДНК, имеющая собственный аппарат репликации и способная поставлять в клетку необходимые гены и реплицировать их), соединяют ДНК гена и вектора и получают рекомбинантную ДНК; потом переносят определенные гены в геном хозяина, проводят их клонирование в составе вектора и получают генный продукт путем экспрессии чужеродного гена в реципиентной клетке.

Известны два способа выделения генов и создания рекомбинантной ДНК. Первый — с помощью химического синтеза, второй, более распространенный, с помощью особых ферментов (рестриктаз), которые имеют способность распознавать чужеродную ДНК, проникающую в организм и расщеплять ее в соответствующих участках. В результате создаются фрагменты разнообразных размеров подлине. Известны более 500 рестриктаз и каждая специфически расщепляет ДНК. Они лишены всякой видовой специфичности. Благодаря этому можно объединять в одно целое фрагменты ДНК любого происхождения и преодолевать природные видовые барьеры.

Части и разрывы нитей ДНК склеивают с помощью фермента лигазы. Особенностью выделенных генов (нуклеотидов) являются так называемые липкие концы, которыми их можно присоединить к участкам фагов (для животных). Таким образом создается вектор для переноса выделенных генов в клетку-реципиент.

Известен другой путь получения фрагментов ДНК с липкими концами. Для этого выделенные или искусственно синтезированные участки ДНК обрабатывают ферментом эндонуклеазой, которая укорачивает ее с обоих концов. Потом с помощью другого фермента — полинуклеотидтрансферазы достраивают к этим концам участки адениновых и тимидиновых нуклеотидов. Полученную молекулу рекомбинированной ДНК используют для переноса чужеродного гена в бактермальную клетку. Такая схема была использована для генов инсулина, интерферона, иммуноглобулина и других.

Необходимо заметить, что наличие и даже введение гена в хромосому организма-хозяина еще не дает возможность получать продукты его синтеза. Для того, чтобы ген мог функционировать, он должен наряду с участком, где закодирована информация, иметь еще регуляторный участок. Эти участки называются, соответственно, промотором и терминатором. С промотора начинается считывание информации (транскрипция), а в терминаторе закодировано окончание транскрипции сданного гена. Создан целый арсенал клонированных промоторов, которые дают возможность обеспечить проявление генов в разных типах клеток. При этом такой клон содержит 1-2 гена, и если учесть, что клонов большое число, то практически они представляют все гены, которые есть в геноме животного.

Например, для создания банка генов кроля необходимо 920 тысяч клонов, млекопитающих — 0,8-1,0 млн.
Первый банк генов был создан для кишечной палочки, потом для других, в т.ч. и для крупного рогатого скота. Также были сформированы библиотеки клонов ДНК гипофиза и гормона роста.

Большое значение имело получение интерферона для человека, белка с универсальным антивирусным действием.
Одним из важнейших достижений генной инженерии в практике животноводства является открытие соматотропного гормона (соматотропина или гормона роста). Но еще задолго до этого было известно, что экстракт гипофиза крупного рогатого скота стимулирует молочную продуктивность коров. Рассчитывали с помощью этого препарата быстро повысить надои животных. Но трудно было получать его в больших количествах и попробовали применить для этого метод генной инженерии. С помощью микробного синтеза на основе технологии рекомбинантных ДНК решили эту проблему.

Гормон роста берет участие в процессах стимуляции роста, деятельности молочной железы, влияет на обмен углеводов и липидов. Его инъецируют в составе генноинженерных гормонов, которые созданы для крупного рогатого скота, овец, свиней. Их клонирование осуществляют в клетках кишечной палочки и других микроорганизмов.

Использование этого гормона в скотоводстве при ежедневном введении (или через 2-3 дня) способствует повышению скорости роста молодняка на 10-15 %, удоя молока на 20-40 %. Состав молока при этом не меняется.

Положительные результаты получены в исследованиях по стимуляции с помощью соматотропина интенсивности роста свиней, овец, бычков, репродуктивных способностей свиней.

Вместе с этим не менее сложным заданием является перенос генов непосредственно высшим организмам, в т.ч. и животным. Необходимо природным путем, а не введением искусственных препаратов, внедрять новые гены в организмы. Используют несколько подходов — интродукцию гена в изолированные клетки реципиента с последующей ретрансплантацией этих клеток, инъекцию гена непосредственно в организм реципиента, интродукцию клонированных генов в геном эмбрионов на ранних стадиях развития.

Широко проводятся исследования по созданию трансгенных кролей, овец, свиней, птицы. Быстрыми темпами осуществляется создание трансгенных животных, которые могут синтезировать некоторые лекарственные препараты; инсулин, интерферон, факторы оседания клеток крови, гормоны, незаменимые аминокислоты. Планируется получение трансгенных овец, которые бы продуцировали в молоке фактор оседания крови, необходимый для лечения гемофилии, причем для этого достаточно стада в 15-20 овец.

Большой интерес представляют работы по созданию трансгенных животных, которые синтезируют незаменимые аминокислоты. Например, в овцеводстве имеет актуальность способность овец синтезировать метионин, который необходим для роста шерсти. В Австралии удалось получить трансгенное животное с интегрированным гормоном роста овцы. Для этого был выделен ген гормона роста, который потом был введен в геном зиготы. Полученная трансгенная овца в трехлетнем возрасте была в полтора раза больше по живой массе, чем сверстницы.

Получение трансгенных особей проводится в трех направлениях; картирование геномов сельскохозяйственных животных, производство дополнительных продуктов эндогенного происхождения, использование их для селекционно-генетического улучшения, акклиматизации и одомашнивания.

Наиболее применимым может быть создание линий трансгенных животных, имеющих ген соматотропина или устойчивых к целому ряду заболеваний (генетически иммунных форм).

В перспективе есть возможность получать политрансгенных животных, в зиготу которых будет вноситься несколько генов. Но при этом возникает опасность разрушения эволюционно сбалансированного генома особей. Поэтому в данном случае одним из основных этапов будет тщательный отбор и селекция на гомеостаз генома политрансгенных животных. Можно наметить несколько направлений применения генной инженерии для создания трансгенных животных по видам.

Крупный рогатый скот —трансгенозгормонароста, гена тимидинкиназы вируса герпеса, получение инсулина человека, интерферона, факторов оседания крови, введение гена азотфиксации, ресинтез дикого тура.

Свиньи — ген гормона роста человека, бычий ген соматотропина, ген антигена гепатита В, гены релизинггормона, гибридизация с овцой, получение каракульских поросят, гены долголетия.

Овцы — ген гормона роста овцы, гены синтеза серосодержащих аминокислот, ген синтеза протромбина, ген зимней спячки, ген разноцветной шерсти за счет перенесения генов попугая.

Птица — ген инсулин-подобного ростового фактора, ген иммуноглобулина, гены устойчивости против лейкоза, болезни Марека, саркомы Рауса, гормон роста птицы, генантисмысловой ДНК аденовируса, мини-гуси, гены устойчивости от болезней от диких родственников, гены яйцеживорождения.

Кроли — ген антигена вируса гепатита А, гормоны роста человека, крупного рогатого скота, интерферона человека, ген антисмысловой РНК аденовируса человека.

Если подытожить направления для отрасли животноводства в целом, можно выделить гены гормонов ростадля всех видов, ген антисмысловой ДНК аденовируса, интродукция генов от одного вида к другому с целью получения новых признаков, введение генаазотфиксации, гена Буруллас целью повышения плодовитости.
Учитывая современные тенденции развития биологической и сельскохозяйственной наук, решать проблемы эффективного управления популяционными ресурсами можно, создавая популяции и родительские стада многофункционального назначения, т.е. одну и туже популяцию в зависимости от направления производства, рыночной конъюнктуры можно соответственно переориентировать путем перекомбинации ее генотипического состава на максимальное производство определенного вида продукции или преимущественную реализацию некоторых физиологических функций.

Пока же изучены такие подходы по генетическому манипулированию на бактериях путем выведения целых колоний штаммов.

Но даже на этом уровне исследования надо осуществлять с великой осторожностью. Гены, перенесенные из одной бактерии в другую, способны дать патогенные штаммы, которые не сдержать, и это может иметь печальные последствия для популяций не только животных, ной человека. Пока При рода жестоко мстит за внедрение человека в такие структуры жизни как атом, ген...