БИОТЕХНОЛОГИЯ

А.И. Герцена
Направление 050100

Педагогическое образование
Профиль 01 Биологическое образование






Профессор кафедры Зоологии д.б.н., проф. Цымбаленко Надежда Васильевна

РЕКОМБИНАНТНОЙ ДНК

ФЕРМЕНТЫ -

ИНСТРУМЕНТЫ



Профессор каф. Зоологии
факультета биологии РГПУ им. А.И. Герцена
д.б.н., проф. Цымбаленко Н.В.

инженерией) — это совокупность экспериментальных процедур, позволяющая осуществлять перенос генетического

материала (дезоксирибонуклеиновой кислоты, ДНК) из одного организма в другой (Глик Б. и Пастернак Дж).

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.

и Мак Карти показали, что носителем наследственной информации является ДНК.

1953 г. - Дж. Уотсон и Ф. Крик, основываясь на многочисленном фактическом материале по химии нуклеиновых кислот и рентгеноструктурному анализу ДНК, создали двуспиральную модель структуры ДНК.

На рубеже 50 - 60-х годов были выяснены свойства генетического кода, а к концу 60-х годов его универсальность была подтверждена экспериментально.

70-х годах был открыт ряд ферментов, катализирующих реакции превращения ДНК.

Интенсивное развитие молекулярной генетики, объектами которой стали E. coli, ее вирусы (бактериофаги) и плазмиды.

ДНК, которые при внедрении в генетический аппарат придавали бы организму

свойства, полезные для человека.
Биотехнология

другом в полимерную цепочку с помощью фосфодиэфирных связей.

рестрикции, ускоряющее выделение и манипуляции с отдельными генами;
быстрое секвенирование

последовательности нуклеотидов очищенного фрагмента ДНК, что позволяет определить границы гена и аминокислотную последовательность, кодируемую им;
конструирование рекомбинантной ДНК;
гибридизация нуклеиновых кислот, позволяющая выявлять специфические последовательности РНК или ДНК с большей точностью и чувствительностью, основанную на их способности связывать комплементарные последовательности нуклеиновых кислот;
клонирование ДНК: амплификация in vitro с помощью цепной полимеразной реакции или введение фрагмента ДНК в бактериальную клетку, которая после такой трансформации воспроизводит этот фрагмент в миллионах копий;
введение рекомбинантной ДНК в клетки или организмы и др.

чаще всего эксперименты с рекомбинантной ДНК проводят по следующей схеме:

из

организма — донора нужных генов — экстрагируют  нативную ДНК  (клонируемая ДНК, встраиваемая ДНК, ДНК-мишень, чужеродная ДНК), подвергают ее ферментативному гидролизу (расщепляют, разрезают) и соединяют (лигируют, сшивают) с другой ДНК (вектор для клонирования, клонирующий вектор) с образованием новой, рекомбинантной молекулы (конструкция “клонирующий вектор—встроенная ДНК”);

эту конструкцию вводят в клетку-хозяина (реципиент), где она реплицируется и передается потомкам. Этот процесс называется трансформацией;

идентифицируют и отбирают клетки, несущие рекомбинантную ДНК (трансформированные клетки);

получают специфический белковый продукт, синтезированный клетками-хозяевами, что служит подтверждением клонирования искомого гена.

рекомбинантной ДНК потому и называется технологией или генетической инженерией, что

использует инструменты, обеспечивающие реализацию генетических процессов в природе

групп:
- ферменты, с помощью которых получают фрагменты ДНК (эндонуклеазы

рестрикции или рестрицирующие эндонуклеазы);
- ферменты, синтезирующие ДНК на матрице ДНК (полимеразы) или РНК (обратные транскриптазы);
- ферменты, соединяющие фрагменты ДНК (лигазы);
- ферменты, позволяющие осуществить изменение структуры концов фрагментов ДНК.

экзонуклеазы и эндонуклеазы. Нуклеазы могут расщеплять полинуклеотидную цепь с одной

или другой стороны от фосфодиэфирного мостика. Каждый фермент проявляет определенную специфичность в этом отношении.
Нуклеазы, специфичные в отношении одноцепочечной ДНК: exo VII E.coli.; РНКазы Н (специфично расщепляют РНК в уплексе ДНК-РНК.

бактериальные ферменты, которые узнают определенные последовательности оснований в двухцепочечной молекуле

ДНК (сайты узнавания) и расщепляют обе цепи, а также обладают способностью к метилированию ДНК.
РЭ типа I – ДНК-зависимые АТФ-азы, узнают специфические последовательности на ДНК, но гидролизуют ее в другом месте, метилирование производят в месте узнавания. Потребность в ионах Mg, АТФ и S-аденозилметионина.
РЭ типа III - обладают нуклеазной и метилазной активностью, специфически узнают участки ДНК, но разрезают неспецифически. Потребность в ионах Mg и S-аденозилметионина.
РЭ типа II – узнают специфические участки на двухцепочечной ДНК и разрезают ее в строго специфических местах либо в участке узнавания, либо на строго определенном расстоянии от него, давая фрагменты определенного размера.

представитель – EcoRI.Участок узнавания и разрезания на ДНК представлен палиндромной

последовательностью 5’ – GAATTC – 3’
При действии EcoR I и подобных ему РЭ образуются “липкие” одноцепочечные концы (cohesive ends), которые, независимо от источника происхождения гидролизуемой ДНК, могут слипаться заново, давая новые, рекомбинантные, последовательности ДНК

Действие эндонуклеаз рестрикции

типа II

НОМЕНКЛАТУРА
1. Название фермента начинается с трехбуквенного акронима, в

котором первая буква совпадает с первой буквой названия рода, а остальные – с первыми двумя буквами вида организма, в котором данный фермент был обнаружен.
2. Дополнительные буквы служат для обозначения конкретного штамма или серотипа.
3. Римские цифры присваиваются в порядке обнаружения ферментов данного типа у конкретного организма. Дополнительные буквы и цифры курсивом не выделяются, но отделяются пробелом.
Например:
Bsu I – фермент первой системы рестрикции-модификации, обнаруженной у Bacillus subtilis

всех этих ферментов обнаружено около 90 сайтов узнавания.
Название РЭ

показывает источник их выделения и порядковый номер РЭ в этом источнике.
Например, ферменты EcoRI, EcoRII, EcoRIII и EcoRV являются РЭ из Escherichia coli, а HaeII и HaeIII выделены из Haemophylus aegypticus.
Изошизомеры – ферменты, имеющие одинаковые сайты узнавания. Однако изошизомеры необязательно делают разрезы в одном и том же месте, например,
XmaI 5’– C↓CCGGG- и SmaI 5’– CCC↓GGG
- GGGCC↑C – 5’ GGG↑CCC – 5’

нуклеотидов (EcoRI, HindIII), пятью парами, где средний нуклеотид может быть

любым из четырех нуклеотидов (HinfI), они могут содержать восемь нуклеотидов (NotI), четыре нуклеотида (MboI).
РЭ, имеющие различные сайты узнавания и разрезания, часто образуют идентичные липкие концы
MboI 5’–↓GATC - и BamHI 5’– G↓GATCC -
- CTAG↑ – 5’ - CCTAG↑G – 5’
РЭ, разрезающие фосфодиэфирный мостик в середине узнаваемой последовательности, образуют “тупые” двуцепочечные концы
HpaI 5’– GTT↓AAC -
- CAA↑TTG – 5’
РЭ могут узнавать непалиндромные участки и разрезать ДНК на некотором расстоянии от них. В таких случаях образуются одноцепочечные выступащие концы длиной в один нуклеотид
MboII 5’– GGTGANNNNNNNN↓–
CCACTNNNNNNN↑ - 5’

фосфомоноэфирные группы в ДНК и РНК.

Полинуклеотидкиназа. Это еще один фермент,

модифицирующий полинуклеотидные цепи. Он является фосфотрансферазой, которая специфически фосфорилирует 5’–концевые гидроксильные группы молекул ДНК и РНК. Полинуклеотидкиназу используют для получения радиоактивномеченых зондов. Фермент обеспечивает введение радиоактивной метки с 5’-конца полинуклеотидной цепи с помощью изотопа Р-32 в составе АТФ, меченой по γ–фосфату. Последовательное действие фосфатазы и полинуклеотидкиназы приводит к замещению немеченого 5’–концевого фосфомоноэфира на радиоактивный без каких-либо других изменений в цепи.

катализирующие соединение двух молекул с образованием новой химической связи (лигирование).

В молекулярной биологии лигазы разделяют на две большие группы: ДНК-лигазы и РНК-лигазы.

нуклеотидов к праймеру со свободной 3’ – гидроксильной группой. Процесс

направляется ДНК матрицей. Также осуществляет экзонуклеазную функцию как с 5’ -, так и с 3’ – конца.

103 кДа и имеет 3-х доменную структуру. Каждый домен обладает

своей ферментативной активностью: 5’→3’ полимеразной, 3’→5’ экзонуклезной, 5’→3’ экзонуклеазной.

экзонуклезы, названа фрагментом Кленова (по фамилии одного из авторов, описавших

ее).

Применение ДНК-полимеразы I:
достраивание одноцепочечных 5'-концов на двухцепочечной ДНК, часто генерируемых эндонуклеазами рестрикции, до тупых;
синтез второй цепи на одноцепочечной ДНК . ДНК-полимераза способна превращать фрагменты ДНК с липкими концами во фрагменты с тупыми концами при наличии выступающего 5 – конца;
гидролиз одноцепочечных З'-концов на двухцепочечных молекулах ДНК;
получение меченых ДНК-зондов (метод ник-трансляции) с высокой удельной активностью;

синтез ДНК на матрице РНК в процессе, который получил название

“обратная транскрипция”.
Ферментативные активности:
1) ДНК-полимеразная, использующая в качестве матрицы как РНК, так и ДНК;
2) активность РНКазы Н, гидролизующей РНК в составе гибрида РНК - ДНК;
3) ДНК-эндонуклеазная активность.

Используется для создания липких концов.














Реакция, катализируемая терминальной дезоксинуклеотидилтрансферазой.
N- любой

из четырех дезоксинуклеотидов: A,T,G или С

или более фрагментов ДНК, выделенных из различных биологических источников.
Фрагменты

ДНК, содержащие нуклеотидные последовательности структурных или регуляторных участков генов, представляющих интерес для исследователя, получают с использованием эндонуклеаз рестрикции.

В ситуациях, когда необходимо сшить фрагменты ДНК, образованные разными эндонуклеазами

рестрикции, и имеющие разные, то есть некомплементарные друг другу липкие концы, или тупой и липкий концы применяют адаптеры (to adapt – переделывать) или линкеры (to link – связывать). Это молекулярные "переходники".

липкий” (1); “липкий – липкий” (2); “липкий – тупой” (3).

или множественными сайтами клонирования (MCS – multiply cloning sites).

для эндонуклеазы EcoRI (5’- GAATTC), MboI (5’- GATC), HphI (5’-

GGTGA), HaeII (5’- PuGCGCPy) и
HinfII (5’- GANTC).


Решение.
Достаточно рассмотреть одну нить ДНК. Каждый нуклеотид встречается в ДНК с частотой, близкой к 1/4. Тогда частота 6-ти нуклеотидной последовательности EcoRI –сайта будет равна (1/4) – 1/ 4096, т.е. расстояние между сайтами рестрикции для EcoRI около 4 т.п.н.

двухцепочечной ДНК:

ДНК
Б. Как будут модифицироваться эти концы, если инкубировать разрезанные молекулы

ДНК с ДНК-полимеразой в присутствии всех четырех дезоксинуклеозидтрифосфатов?
В. Могут ли концы, появляющиеся в результате разрезания ферментом BamHI, соединиться вновь при инкубации с ДНК-лигазой после того, как была проведена реакция, о которой шла речь в пункте Б?
Г. Можно ли соединить вместе концы ДНК, образовавшиеся при обработке PstI?
Д. Будет ли регенерировать узнаваемый BamHI сайт, о котором шла речь в пункте В, при соединении концов? Будет ли регенерировать сайт, узнаваемый PstI?

узнавания для BamHI – G↓GATTC , где четыре внутренних основания

идентичны с сайтом рестрикции для Sau3A . Это значит, что одноцепочечные концы, образованные в результате гидролиза обоими ферментами, будут одинаковы.
Имеется вектор, последовательность ДНК которого находится сайт рестрикции для BamHI и фрагмент ДНК, последовательности ДНК которого находится сайт рестрикции для Sau3A.
1. Можно ли встроить этот фрагмент ДНК в такой вектор?
2. Можно ли удалить интегрированный ДНК-фрагмент из вектора с помощью фермента BamHI? Sau3A? Какая проблема может возникнуть, если использовать рестриктазу
BamHI?

“липкие” и “тупые” концы, изошизомеры, палиндром, фосфотрансфераза, фосфомоноэстераза, фосфатаза, полинуклеотидкиназа,

лигаза, гидролиз фосфодиэфирной связи, ДНК-полимераза, фрагмент Кленова, ник-трансляция, ревертаза, обратная транскрипция, терминальная трансфераза, адаптер, линкер, полилинкер.