Возникновение злокачественных опухолей

Возникновение злокачественных опухолей

Министерство образования Российской Федерации

Уральский Государственный Технический Университет – УПИ

Кафедра Технологии органического синтеза

РЕФЕРАТ:

РОЛЬ ВИРУСОВ И ПЛАЗМИД В ОПУХОЛЕОБРАЗОВАНИИ

Выполнил:

студент гр. Х-449

Покровский П.В.

Екатеринбург

2001

1. Введение

Возникновение злокачественных (раковых) опухолей может иметь различные

причины, однако во всех случаях к этому причастен генетический материал

клетки – ее ДНК. Что бы ни привело к образованию опухоли (раковому

перерождению), последующим ростом ткани управляет ДНК безудержно делящихся

опухолевых клеток. В основе превращения нормальной клетки в злокачественную

– опухолевой трансформации – лежит перенос или иное изменение ДНК. Агент,

вызывающий пролиферацию клеток, - это продукт гена. До сих пор, правда, не

удается создать общую теорию, которая охватывала бы все формы ракового

перерождения, однако изучение злокачественных опухолей, вызванных вирусами

и плазмидами, уже сейчас позволяет сделать далеко идущие выводы.

Мы рассмотрим три примера онкогенеза: 1) образование опухолей у

растений, 2) развитие опухолей у животных под воздействием ДНК-вирусов и 3)

развитие опухолей у животных под воздействием РНК-вирусов (ретровирусов).

2. Образование опухолей у растений.

У многих растений встречаются опухоли корневой шейки. Эти разрастания

ткани уменьшают поток питательных веществ между подземными и надземными

частями. У многих растений такие опухоли можно вызвать экспериментально;

типичные результаты получаются больше чем у половины изученных видов (рис.

1). Возбудителем является Agrobacterium tumefaciens – грам-отрицательная

почвенная бактерия с перитрихальными жгутиками, сходная с представителем

рода Rhizobium. Бактерии проникают в ткань через поврежденные участки и

размножаются в межклетниках. Бывают вирулентные и авирулентные штаммы A.

tumefaciens; вирулентные содержат большую плазмиду, так называемую Ti-

плазмиду (Ti – Tumor Inducing, индуцирующая опухоль). После заражения ткани

плазмиды проникают в растительные клетки.

Плазмидная ДНК прочно интегрируется в хромосомную ДНК растительных

клеток и вызывает их опухолевый рост. Путем прививки таких клеток можно

передать опухоль здоровому растению; таким образом, после того как клетки

претерпели опухолевую трансформацию, бактерия и ее плазмида становятся уже

ненужными. Интегрированная ДНК плазмиды ответственна также за способность

клеток вырабатывать новые ферменты, с помощью которых синтезируются

аминокислоты октопин и нопалин, так называемые опины. Эти аминокислоты

могут использоваться бактерией A. tumefaciens в качестве источника углерода

и азота. Благодаря Ti-плазмиде Agrobacterium получает, таким образом,

преимущественный доступ к продуктам фотосинтеза растения: Ti-плазмида

обеспечивает образование аминокислот, которые могут быть усвоены только

этой бактерией.

Наряду с этим Ti-плазмида представляет собой естественный генный вектор

для переноса чужеродной ДНК в растения. Гены, определяющие опухолевый рост,

можно выделить из плазмиды и заменить другими генами. Из тканей, состоящих

из клеток, трансформированных видоизмененной плазмидой, удавалось

регенерировать целые растения табака, которые росли совершенно нормально и

вдобавок ко всему синтезировали опины. Таким образом, гены чужеродной ДНК

передавались как доминантные факторы в соответствии с обычными законами

наследственности.

Поиски путей введения чужеродных генов в клетки высших растений

интенсивно ведутся во всем мире с начала 70-х годов. Одним из импульсов к

развитию методов переноса чужеродных генов в растения стали результаты

детального изучения молекулярно-генетических основ опухолевого роста у

растений при участии бактерий рода Agrobacterium. В результате этих

исследований оказалось, что опухолеобразующие плазмиды агробактерий,

представляющие собой мини-кольцевые ДНК, являются природной векторной

системой, которую сейчас используют для переноса генов в растения. Плазмида

агробактерии переносит часть своей ДНК в ДНК растительной клетки, в ДНК

встраивается "нужный" ген. С помощью этого уникального вектора уже получено

большое число трансгенных растений. Важно также то, что методы генной

инженерии сейчас используют не только в практике, это важнейшая методология

для познания фундаментальных основ организации и функционирования

растительного генома.

2.1. ЧТО ТАКОЕ ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ИНЖЕНЕРИЯ РАСТЕНИЙ

Генетическая инженерия - это система экспериментальных приемов,

позволяющих конструировать искусственные генетические структуры в виде так

называемых рекомбинантных (гибридных) молекул ДНК. Суть генетической

инженерии сводится к переносу в растения чужеродных генов, которые могут

сообщать растениям полезные свойства. Такие манипуляции осуществляются с

помощью соответствующих ферментов - рестрикционных эндонуклеаз,

расщепляющих молекулы ДНК в строго определенных участках, и лигаз,

сшивающих фрагменты в единую рекомбинантную молекулу ДНК.

Итак, процедуры генетической инженерии сводятся к тому, что из набора

фрагментов ДНК, содержащих нужный ген, собирают гибридную структуру,

которую затем вводят в клетку. Введенная генетическая информация

экспрессируется, что приводит к синтезу нового продукта. Таким образом,

вводя в клетку новую генетическую информацию в виде гибридных молекул ДНК,

можно получить измененный организм.

Растения имеют одно очень важное преимущество перед животными, а именно

возможна их регенерация in vitro из недифференцированных соматических

тканей с получением нормальных, фертильных (способных завязывать семена)

растений. Это свойство (тотипотентность) открывает для молекулярных

биологов большие возможности в изучении функционирования генов, введенных в

растения, а также используется в селекции растений. Для конструирования

растений необходимо решить следующие задачи: выделить конкретный ген,

разработать методы, обеспечивающие включение его в наследственный аппарат

растительной клетки, регенерировать из единичных клеток нормальное растение

с измененным генотипом. Таким образом, методология генетической инженерии в

отношении растений направлена на коренное изменение методов традиционной

селекции, с тем чтобы желаемые признаки растений можно было получать путем

прямого введения в них соответствующих генов вместо длительной работы по

скрещиваниям.

Формальной датой рождения генетической инженерии растений является

полученное с помощью Ti-плазмидного вектора первое в мире химерное растение

санбин (sunbeen) как результат переноса гена запасного белка бобовых

(фазеолина) в геном подсолнечника (sunflower + been). Это было первым

ощутимым, хотя, быть может, и несовершенным свидетельством того, что в

отношении растений генетическая инженерия сможет оправдать надежды

специалистов в области молекулярной генетики, биологии и селекции.

2.2. КОРОНЧАТЫЕ ГАЛЛЫ РАСТЕНИЙ

В группе почвенных бактерий, известных под общим названием

Agrobacteria, есть несколько видов, которые могут заражать растения и

вызывать образование опухолей, называемых корончатыми галлами, состоящими

из недифференцированной опухолевой ткани, растущей в месте заражения.

Клетки корончатых галлов во многих отношениях напоминают раковые клетки

животных. Они приобретают способность к неограниченному, нерегулируемому

росту. Когда клетки корончатых галлов культивируют in vitro, они растут при

отсутствии специальных гормонов, которые необходимы при культивировании

нормальных растительных клеток. Более того, клетки корончатых галлов

продолжают сохранять эти свойства (трансформированный фенотип), даже если

убить бактерии антибиотиками. Изучение индуктора опухолей Agrobacterium

tumefaciens показало, что собственно опухолеродным агентом у этой бактерии

является Ti-плазмида, которая частично интегрируется в хромосомы растений.

2.3. АГРОБАКТЕРИАЛЬНАЯ ТРАНСФОРМАЦИЯ РАСТЕНИЙ: Ti-ПЛАЗМИДЫ

В A. tumefaciens помимо хромосомы содержится Ti-плазмида. Плазмида

содержит Т-ДНК (transferred DNA), которая составляет 12-22 тыс. пар

оснований и встраивается в ДНК растительной хромосомы. Она кодирует

ферменты синтеза фитогормонов и опинов - производных аминокислот, которые

используются бактерией как источник углерода, азота и энергии.

Кроме Т-ДНК в Ti-плазмиде содержатся vir-область, отвечающая за перенос

Т-ДНК в растение, гены утилизации опинов, а также локусы, контролирующие

размножение плазмиды в бактериальной клетке и ее перенос при бактериальной

конъюгации. Доказательства того, что именно Ti-плазмиды, а не хромосомные

гены бактерий ответственны за поддержание трансформированного состояния

клеток корончатых галлов, были получены при изучении штаммов Agrobacterium,

содержащих мутантные Ti-плазмиды. Агробактерии, лишенные Ti-плазмид, не

индуцируют в зараженном растении ни образования корончатых галлов, ни

синтеза опинов. Все полученные мутации Ti-плазмид разделяют на три основных

класса. Мутанты первого класса не индуцируют синтез опинов, но вызывают

образование корончатых галлов. Мутанты второго класса утрачивают

способность индуцировать развитие опухолей. Мутанты третьего класса

стимулируют аномальную дифференцировку нормальных клеток, например

избыточный рост корней или побегов. Эти генетические исследования показали,

что ДНК Ti-плазмид содержит гены, которые контролируют развитие опухолей,

синтез опинов. Поскольку у растений с мутантными Ti-плазмидами второго и

третьего классов с помощью фитогормонов можно стимулировать

опухолеобразование, было предположено, что полученные мутации затрагивают

гормональный метаболизм.

2.4. КАКИЕ ГЕНЫ ЛОКАЛИЗОВАНЫ В Т-ДНК

В области Т-ДНК картировано не менее шести генов, отвечающих за

морфологию опухоли и синтез фитогормонов. Ген iaaM 1 кодирует фермент

триптофан-2-монооксигеназу, которая переводит триптофан в индолилацетамид.

Ген iaaH 2 кодирует гидролазу, превращающую индолилацетамид в гормон

растений ауксин - индолил-3-уксусную кислоту (ИУК). Совместная деятельность

продуктов генов 1 и 2 обусловливает появление в растениях несвойственного

им пути образования природного ауксина, что в целом приводит к изменению

количества ауксина в клетках растения. Изопентенилтрансфераза, кодируемая

геном ipt, катализирует ранние стадии биосинтеза природного цитокинина.

Гены iaaM, iaaH и ipt представляют собой онкогены, так как продуктами этих

генов являются фитогормоны ауксин и цитокинин, которые индуцируют деление

клеток. Ген 5 отвечает за синтез индол-3-лактата, который является

продуктом превращения ауксина. Этот метаболит проявляет антиауксиновый

эффект. Ген tml 6 влияет на величину опухоли; транскрипт 6а необходим для

секреции нопалина и октопина, а ген 6б изменяет чувствительность

растительных тканей к цитокинину и сохраняет клетки в недифференцированном

состоянии. Итак, четыре или, возможно, пять генов подавляют дифференцировку

опухолевых клеток и переводят их в состояние деления, а еще один ген

кодирует фермент, катализирующий синтез опинов.

2.5. МОЛЕКУЛЯРНО-ГЕНЕТИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ АГРОБАКТЕРИАЛЬНОЙ ТРАНСФОРМАЦИИ

Процесс трансформации можно разделить на четыре этапа: прикрепление

бактерии к стенке растительной клетки, проникновение Т-ДНК внутрь клетки

растения, интеграция Т-ДНК в геном растения и экспрессия Т-ДНК.

Индукция начальных этапов трансформации может происходить только в

месте раневого повреждения растения, где выделяются низкомолекулярные

фенольные соединения (например, ацетосирингон), углеводы (например, глюкоза

и глюкуроновая кислота) и где образуется кислый рН. Весь процесс вырезания

и интеграции Т-ДНК в растительную хромосому осуществляют продукты генов,

локализованных в vir-области. Восприятие раневых сигналов осуществляют

белки VirA и ChvE. ChvE, белок, кодируемый хромосомным геном бактерии,

чувствует присутствие ацетосирингона и изменяет способность VirA отвечать

на фенольные соединения. VirA является гистидиновой протеинкиназой,

способной к аутофосфорилированию, он дважды пронизывает внутреннюю мембрану

бактериальной клетки и выступает в качестве донора фосфора белку VirG.

Фосфорилированный VirG активирует транскрипцию остальных vir-генов.

Индукция vir-генов обратима, что очень важно для патогена: в случае, если

хозяин - больной и нежизнеспособный организм, перенос Т-ДНК не

осуществляется.

Оперон VirD кодирует несколько продуктов. Один из них является

двухкомпонентной эндонуклеазой. Область Т-ДНК окружена одинаковыми

повторами длиной 25 пар оснований. Эти последовательности являются сайтами

узнавания VirD-эндонуклеазы, режущей точно между 3-м и 4-м основаниями 25

пар оснований повтора. Эта эндонуклеаза ответственна за вырезание Т-ДНК.

Белки VirB и VirE необходимы для транспорта Т-ДНК из бактерии в растение.

Перенос Т-ДНК из бактерии в цитоплазму растительной клетки осуществляется

за 30 мин.

Внедрение Т-ДНК в растительный геном является многоступенчатым

процессом. Недавние результаты анализа нуклеотидных последовательностей в

участках растительной ДНК, в которые инкорпорируется Т-ДНК, показали, что

есть гомология между растительной ДНК по обеим сторонам от места

встраивания и наружными областями плазмидной ДНК агробактерий. В геном

растения могут встраиваться несколько копий Т-ДНК. После встраивания в

хромосому Т-ДНК становится обычной частью генома растения. Т-ДНК

транскрибируется в растительных клетках РНК-полимеразой II растения-

хозяина. Транскрипты имеют особенности эукариотических матриц. Сама

бактерия в клетку не проникает, а остается в межклеточном пространстве и

использует растительные клетки со встроенной Т-ДНК как фабрику,

продуцирующую опины - источник азота и углерода.

2.6. ДНК Ti-ПЛАЗМИДЫ МОЖНО ИСПОЛЬЗОВАТЬ В КАЧЕСТВЕ ВЕКТОРА

Т-ДНК Ti-плазмид обладает двумя свойствами, делающими ее по существу

идеальным вектором для введения чужеродных генов в клетки растений. Во-

первых, круг хозяев агробактерий очень широк: они трансформируют клетки

практически всех двудольных растений. Известно, что можно добиться

заражения однодольных, в том числе злаков. Во-вторых, интегрированная в

состав генома растения Т-ДНК наследуется как простой доминантный признак в

соответствии с законами Менделя, а ее гены имеют собственные промоторы

(регуляторная область гена, определяющая время и место его экспрессии), под

контролем которых могут экспрессироваться вставленные в Т-ДНК чужеродные

гены.

Простейший способ введения Т-ДНК в клетки растения состоит в том, чтобы

заразить его A. tumefaciens, содержащей подходящую Ti-плазмиду, и

предоставить дальнейшее естественному ходу событий. Необходимо только уметь

встраивать нужные гены в Т-сегмент ДНК плазмиды. Однако размеры целой Ti-

плазмиды существенно больше размеров молекул, обычно используемых в работе

с рекомбинантной ДНК. Чтобы преодолеть эту трудность, разработан следующий

подход. Прежде всего Т-сегмент вырезают из Ti-плазмиды с помощью рестриктаз

и встраивают в один из стандартных плазмидных векторов для размножения в

клетках бактерий - Escherichia coli. E. сoli содержит плазмиду pBR322,

которая способна к саморепликации, то есть размножению, приводящему к

увеличению числа ее копий. После того как в плазмиду pBR322 внедрили

участок Ti-плазмиды, это рекомбинантная структура может затем

реплицироваться многократно, что приводит к увеличению числа копий участков

Ti-плазмиды. Этот процесс называется клонированием. Бактерии, содержащие

плазмиду pBR322 с участком Т-ДНК, размножают, после чего эту плазмиду

выделяют. Затем с использованием рестриктаз и стандартных приемов работы с

рекомбинантной ДНК в Т-сегмент встраивают определенный ген. Этот

молекулярный гибрид, теперь уже содержащий Т-ДНК со встроенным в нее геном,

снова размножают в E. сoli, а затем вводят в клетки A. tumefaciens, несущие

соответствующую полную Ti-плазмиду. В результате обмена идентичными

участками (гомологичная рекомбинация) между Т-сегментами нативной и

сконструированной Ti-плазмид Т-ДНК со встроенным чужеродным геном

включается в Ti-плазмиду, замещая нормальную Т-ДНК. Таким образом, мы

получаем клетки A. tumefaciens, несущие Ti-плазмиду со встроенным в Т-

сегмент нужным геном. Последний этап заключается в заражении растений этими

модифицированными генно-инженерными методами агробактериями. Клетки

полученных трансгенных растений будут содержать интегрированную Т-ДНК со

встроенным чужеродным геном, то есть цель работы, состоявшая во введении

данного гена в геном растения, будет достигнута. Недавние исследования,

однако, показали, что эту процедуру можно упростить, если использовать

бинарные векторные системы, создание которых заключается в том, что

агробактериальная клетка должна содержать по крайней мере две разные

модифицированные Ti-плазмиды. Одна из них должна содержать только vir-

область, гены которой будут участвовать в вырезании Т-ДНК. Такие плазмиды

называют плазмидами-помощницами. Вторая Ti-плазмида должна содержать

область Т-ДНК с нужным встроенным геном. Продукты vir-генов способны

вырезать Т-ДНК как на собственной плазмиде, так и на соседней, то есть vir-

гены могут работать вне зависимости от их местоположения. Таким образом,

если клетки агробактерии содержат Ti-плазмиду с сегментом vir и другую

плазмиду с Т-ДНК, несущей встроенный ген, эти бактерии могут

трансформировать клетки растений.

В целом идеальная векторная система на основе Ti-плазмиды должна: 1)

содержать все сигналы, необходимые для переноса и стабильной интеграции в

ядерную ДНК растений; систему для экспрессии чужеродных генов в растениях

(узнаваемый растительными полимеразами промотор), маркер, который необходим

для селекции трансформированных клеток; 2) не содержать онкогенов, то есть

Страницы: 1, 2, 3, 4