Βιολογία (Γ΄ Γενικού Λυκείου - Ομάδας Προσανατολισμού Θετικών Σπουδών & Σπουδών Υγείας) - Τεύχος Β΄ Βιβλίου Μαθητή (Εμπλουτισμένο)

Τεχνολογία
του ανασυνδυασμένου DNA

Εικόνα

Κατασκευή ανασυνδυασμένου DNA

κεφάλαιο

4
κεφάλαιο 4

4. Τεχνολογία του ανασυνδυασμένου DΝΑ

Από το 1953, που οι Watson και Crick πρότειναν το μοντέλο της τρισδιάστατης δομής του DNA, μέχρι σήμερα, η πρόοδος της επιστήμης της Βιολογίας ήταν αλματώδης. Η απομόνωση και χρήση πολυάριθμων ενζύμων, έδωσε στους ερευνητές τη δυνατότητα «αναπαραγωγής» των διαδικασιών της αντιγραφής, αντίστροφης μεταγραφής, μεταγραφής και μετάφρασης in vitro. Ειδικότερα η απομόνωση των περιοριστικών ενδονουκλεασών, ενζύμων που κόβουν το DNA σε κομμάτια με συγκεκριμένη αλληλουχία βάσεων, καθώς και ειδικών φορέων που μεταφέρουν DNA από κύτταρο σε κύτταρο, επέτρεψε την ανάπτυξη της τεχνολογίας του ανασυνδυασμένου DNA και έδωσε στον άνθρωπο την ικανότητα όχι μόνο να ερευνά, αλλά να επεμβαίνει και να τροποποιεί το γενετικό υλικό των οργανισμών. Η τεχνολογία αυτή βρίσκει εφαρμογή στην παραγωγή σειράς προϊόντων και τη δημιουργία φυτών και ζώων με «βελτιωμένες» ιδιότητες, όπως θα παρουσιαστεί σε επόμενα κεφάλαια. Με την ανάπτυξη της υψηλής αυτής τεχνολογίας, το γενετικό υλικό, το DNA, που ήταν τόσο δύσκολο να μελετηθεί, έγινε «παιχνίδι» στα ανθρώπινα χέρια.

Σήμερα μπορούμε να κατασκευάζουμε στο δοκιμαστικό σωλήνα ένα «ανασυνδυασμένο» μόριο DNA, δηλαδή ένα τεχνητό μόριο DNA, που περιέχει γονίδια από δύο ή και περισσότερους οργανισμούς. To DNA αυτό μπορεί να μπει σε ένα βακτήριο ή σε ένα ευκαρυωτικό κύτταρο. Τα γενετικά τροποποιημένα βακτήρια ή ευκαρυωτικά κύτταρα είναι ικανά να ζουν και να αναπαράγονται μεταφέροντας στους απογόνους τους τις καινούργιες ιδιότητες.

Οι τεχνικές με τις οποίες ο άνθρωπος επεμβαίνει στο γενετικό υλικό, αποτελούν τη Γενετική Μηχανική. Η Γενετική Μηχανική άνοιξε το δρόμο για νέες, εξαιρετικά ενδιαφέρουσες ερευνητικές και παραγωγικές δυνατότητες, αλλά και για την επίτευξη δύο θεμελιωδών στόχων του ανθρώπου:
α. την κατανόηση των μυστηρίων της ζωής και της εξέλιξης πάνω στη Γη και,
β. τη βελτίωση της υγείας και του τρόπου διαβίωσης του. Η βελτίωση αυτή επιτυγχάνεται με τις εφαρμογές της Γενετικής Μηχανικής τόσο στην Ιατρική όσο και στη γεωργία και την κτηνοτροφία.

Η τεχνολογία του ανασυνδυασμένου DNA περιλαμβάνει όλες τις τεχνικές που οδηγούν σε μεταφορά του γενετικού υλικού από τον ένα οργανισμό στον άλλο. Τα στάδια της διαδικασίας αυτής είναι (Εικόνα 4.1):

  • Η κατασκευή του ανασυνδυασμένου DNA. Για το σκοπό αυτό το ολικό DNA από έναν οργανισμό δότη απομονώνεται, κόβεται ενζυματικά με ειδικά ένζυμα, τις περιοριστικές ενδονουκλεάσες, και ενώνεται με ένα φορέα κλωνοποίησης. Ο φορέας κλωνοποίησης είναι
  • ένα μόριο DNA, π.χ. πλασμίδιο ή DNA φάγων, το οποίο μπορεί να αυτοδιπλασιάζεται ανεξάρτητα μέσα σε ένα κύτταρο-ξενιστή όπως ένα βακτήριο. To DNA που δημιουργείται είναι ανασυνδυασμένο.
  • Η μεταφορά του ανασυνδυασμένου μορίου DNA σε ένα κύτταρο-ξενιστή. Η εισαγωγή του DNA σε βακτηριακό κύτταρο-ξενιστή ονομάζεται μετασχηματισμός.
  • Η επιλογή και απομόνωση των κυττάρων-ξενιστών. Στο στάδιο αυτό τα κύτταρα-ξενιστές που έχουν προσλάβει το ανασυνδυασμένο DNA επιλέγονται από εκείνα που δεν το έχουν προσλάβει. Κάθε βακτήριο που προσλαμβάνει ένα μόνο μόριο ανασυνδυασμένου DNA πολλαπλασιάζεται και παράγει μια αποικία που αποτελεί ένα βακτηριακό κλώνο. Είναι φανερό ότι με την παραπάνω διαδικασία παράγονται χιλιάδες κλώνοι, που ο καθένας περιέχει ένα ανασυνδυασμένο μόριο DNA διαφορετικό από τους υπόλοιπους κλώνους.
  • Η επιλογή ενός βακτηριακού κλώνου που περιέχει το επιθυμητό τμήμα DNA. Αυτή πραγματοποιείται με τη βοήθεια ειδικών μορίων ανιχνευτών, όπως θα αναλυθεί στη συνέχεια.

Ο όρος κλώνος αναφέρεται σε μια ομάδα πανομοιότυπων μορίων, κυττάρων, ή οργανισμών. Ο όρος κλωνοποίηση αναφέρεται στην κατασκευή, κατά προτίμηση μεγάλου αριθμού, πανομοιότυπων μορίων, κυττάρων ή οργανισμών.

Μία γονιδιωματική βιβλιοθήκη περιέχει
όλο το γονιδίωμα ενός ορνανισμού

Η ανακάλυψη των περιοριστικών ενδονουκλεασών έθεσε το θεμέλιο για τη δημιουργία των γονιδιωματικών βιβλιοθηκών. Οι περιοριστικές ενδονουκλεάσες παράγονται από βακτήρια και ο φυσιολογικός τους ρόλος είναι να τα προστατεύουν από την εισβολή «ξένου» DNA. Οι περιοριστικές ενδονουκλεάσες αναγνωρίζουν ειδικές αλληλουχίες 4-8 νουκλεοτιδίων στο δίκλωνο DNA. Μία από τις περιοριστικές ενδονουκλεάσες που χρησιμοποιείται ευρέως είναι η EcoRI που απομονώθηκε από το βακτήριο Escherichia coli (Εικόνα 4.2). Το ένζυμο αυτό όποτε συναντά την αλληλουχία: 5'-G Α Α Τ Τ C-3'
3'-C Τ Τ A A G-5' στο γονιδίωμα, κόβει κάθε αλυσίδα μεταξύ του G και του Α (με κατεύθυνση 5'→3') αφήνοντας μονόκλωνα άκρα από αζευγάρωτες βάσεις στα κομμένα άκρα. Τα άκρα αυτά μπορούν να σχηματίσουν δεσμούς υδρογόνου με τις συμπληρωματικές βάσεις άλλων κομματιών DNA που έχουν κοπεί με το ίδιο ένζυμο.

Εικόνα 4.1

Εικόνα 4.1 Στάδια παραγωγής ανασυνδυασμένου μορίου DNA και κλωνοποίησή του.

Η αλληλουχία GAATTC υπάρχει διάσπαρτη στα γονιδιώματα των οργανισμών. Έτσι το γονιδίωμα ενός ανώτερου ευκαρυωτικού οργανισμού μπορεί να κοπεί σε χιλιάδες κομμάτια με την περιοριστική αυτή ενδονουκλεάση. Στη συνέχεια τα κομμάτια αυτά ενσωματώνονται σε ειδικούς φορείς. Οι πιο χαρακτηριστικοί τύποι φορέων είναι τα πλασμίδια, και το DNA φάγων. Τα πλασμίδια που χρησιμοποιούνται ως φορείς κλωνοποίησης έχουν τη συγκεκρι-

μένη αλληλουχία μία μόνο φορά. Έτσι τα πλασμίδια κόβονται από την EcoRI σε αυτή τη θέση και δημιουργείται ένα γραμμικό μόριο DNA με μονόκλωνα άκρα. Τα δύο είδη DNA, του πλασμιδίου και του οργανισμού, αναμιγνύονται και, επειδή έχουν συμπληρωματικά άκρα, ενώνονται μεταξύ τους με τη μεσολάβηση ενός ενζύμου, της DNA δεσμάσης. Όπως θυμάστε η DNA δεσμάση φυσιολογικά είναι ένα από τα ένζυμα της αντιγραφής που συνδέει

κεφάλαιο 4

Εικόνα 4.2

Εικόνα 4.2 Η περιοριστική ενδονουκλεάση EcoRI αναγνωρίζει την αλληλουχία GAATTC στη δίκλωνη αλυσίδα του DNA και την κόβει.

κομμάτια του DNA. Έτσι δημιουργούνται ανασυνδυασμένοα πλασμίδια (Εικόνα 4.3). Μερικά πλασμίδια ξαναγίνονται κυκλικά, χωρίς να προσλάβουν DNA του οργανισμού.

Βακτήρια - ξενιστές δέχονται σε μικρό ποσοστό πλασμίδια, μερικά από τα οποία είναι ανασυνδυασμένο. Συνήθως χρησιμοποιούνται ως ξενιστές, βακτήρια που δεν έχουν πλασμίδια και επομένως είναι ευαίσθητα σε αντιβιοτικά (βλ. σελ. 18).

Εικόνα 4.3 Κατασκευή ανασυνδυασμένου μορίου DNA.
1. To DNA ενός οργανισμού κόβεται με μια περιοριστική ενδονουκλέαση 2. Το πλασμίδιο-φορέας κόβεται με το ίδιο ένζυμο 3. Τα δύο είδη DNA συνδέονται μεταξύ τους.

Εικόνα 4.3

Για να μπει ένα πλασμίδιο μέσα στο βακτήριο, τα τοιχώματα του βακτηρίου γίνονται παροδικά διαπερατά σε μακρομόρια, μετά από κατάλληλη κατεργασία (μετασχηματισμός).

Η επιλογή των βακτηρίων που δέχτηκαν ανασυνδυασμένο πλασμίδιο στηρίζεται στην ικανότητα ανάπτυξής τους παρουσία αντιβιοτικού, επειδή το ανασυνδυασμένο πλασμίδιο περιέχει ένα γονίδιο που τους προσδίδει ανθεκτικότητα στο συγκεκριμένο αντιβιοτικό. Κάθε βακτήριο που προσέλαβε ένα ανασυνδυασμένο πλασμίδιο πολλαπλασιάζεται και δίνει ένα κλώνο. Η διαδικασία δημιουργίας κλώνων βακτηρίων ονομάζεται κλωνοποίηση. Το σύνολο των βακτηριακών κλώνων περιέχει το συνολικό DNA του οργανισμού δότη και αποτελεί μία γονιδιωματική βιβλιοθήκη (Εικόνα 4.1). Για να γίνει επιλογή ενός κλώνου που έχει ένα επιθυμητό γονίδιο χρησιμοποιούνται ειδικοί ανιχνευτές, με μια διαδικασία που θα αναλυθεί παρακάτω.

Η κλωνοποίηση σε πλασμίδια είναι σχετικά απλή και γι' αυτό τα πλασμίδια αποτελούν το συνηθέστερο φορέα κλωνοποίησης για οργανισμούς με μικρό γονιδίωμα. Ένας άλλος φορέας που χρησιμοποιείται ευρύτατα γιατί μπορεί να ενσωματώσει μεγαλύτερα

Εικόνα 4.4 Κατασκευή γονιδιωματικής βιβλιοθήκης.

Εικόνα 4.4

κομμάτια ξένου DNA, είναι ο βακτηριοφάγος λ. Η στρατηγική της κλωνοποίησης είναι η ίδια με αυτήν που χρησιμοποιείται και στα πλασμίδια. (Εικόνα 4.4).

Κλωνοποίηση ίου mRNA: Κατασκευή cDNA βιβλιοθήκης

Στους ανώτερους ευκαρυωτικούς οργανισμούς πολλά γονίδια μεταγράφονται σε ορισμένους μόνο κυτταρικούς τύπους, όπως για παράδειγμα τα γονίδια των αλυσίδων των αιμοσφαιρινών που εκφράζονται μόνο στα πρόδρομα ερυθροκύτταρα του ανθρώπου. Αν θέλουμε να κλωνοποιήσουμε μόνο τα γονίδια που εκφράζονται σε συγκεκριμένα κύτταρα, τότε κατασκευάζουμε τις cDNA

Εικόνα 4.5 Κατασκευή cDNA βιβλιοθήκης.

Εικόνα 4.5

βιβλιοθήκες. Οι cDNA βιβλιοθήκες περιέχουν αντίγραφα των mRNA όλων των γονιδίων που εκφράζονται στα κύτταρα αυτά και έχουν το πλεονέκτημα απομόνωσης μόνο των αλληλουχιών των γονιδίων που μεταφράζονται σε αμινοξέα, δηλαδή των εξωνίων.

Για να κατασκευαστεί μία cDNA βιβλιοθήκη, απομονώνεται το ολικό «ώριμο» mRNA από κύτταρα που εκφράζουν το συγκεκριμένο γονίδιο. To mRNA χρησιμοποιείται σαν καλούπι για τη σύνθεση μιας συμπληρωματικής αλυσίδας DNA (cDNA: complementary DNA). Η σύνθεση του cDNA γίνεται από το ένζυμο αντίστροφη μεταγραφάση. Παράγονται έτσι υβριδικά μόρια cDNA-mRNA. To mRNA διασπάται με κατάλληλες χημικές ουσίες ή αποδιατάσσεται με θέρμανση και τα cDNA χρησιμεύουν σαν καλούπι για τη σύνθεση μιας συμπληρωματικής αλυσίδας DNA. Το αποτέλεσμα είναι η δημιουργία δίκλωνων μορίων DNA. Τα δίκλωνα μόρια DNA εισάγονται σε πλασμίδια ή βακτηριοφάγους και κλωνοποιούνται με τη διαδικασία που αναφέρθηκε προηγουμένως. Με αυτό τον τρόπο δίνουν τη δυνατότητα σύνθεσης της πρωτείνης ενός συγκεκριμένου γονιδίου στο κύτταρο-ξενιστή. (Εικόνα 4.5).

Η υβριδοποίηση ίων νουκλεΐκών οξέων
χρησιμοποιείται για την ανίχνευση
κλώνων γονιδιωματικής ή cDNA βιβλιοθήκης

Η απομόνωση του συνολικού DNA από κύτταρα ενός προκαρυωτικού ή ευκαρυωτικού οργανισμού στο δοκιμαστικό σωλήνα είναι υπόθεση ρουτίνας. Αν επιδράσουμε στο DNA που απομονώθηκε με κατάλληλες χημικές ουσίες ή αυξήσουμε τη θερμοκρασία τότε σπάζουν οι δεσμοί υδρογόνου μεταξύ των δύο συμπληρωματικών αλυσίδων και οι δύο αλυσίδες αποχωρίζονται η μία από την άλλη. Η διαδικασία αυτή λέγεται αποδιάταξη. Οι δύο μονόκλωνες συμπληρωματικές αλυσίδες σε κατάλληλες συνθήκες μπορούν να επανασυνδεθούν. Στην ιδιότητα αυτή στηρίζεται η διαδικασία της υβριδοποίησης που είναι η σύνδεση μονόκλωνων συμπληρωματικών αλυσίδων DNA ή συμπληρωματικών DNA-RNA. Η υβριδοποίηση είναι μια πολύ σημαντική ιδιότητα του DNA που μας δίνει τη δυνατότητα αν έχουμε ένα γνωστό μόριο DNA, να το χρησιμοποιήσουμε ως ανιχνευτή για τον εντοπισμό του συμπληρωματικού του όταν το τελευταίο βρίσκεται μαζί με χιλιάδες άλλα κομμάτια.

Μια γονιδιωματική βιβλιοθήκη περιέχει έναν τεράστιο αριθμό από κλωνοποιημένα κομμάτια χρωμοσωμικού DNA, τα οποία έχουν παραχθεί με δράση κάποιας περιοριστικής ενδονουκλεάσης. Ορισμένα από τα κομμάτια αυτά περιέχουν ολόκληρα γονίδια, άλλα περιέχουν κομμάτια γονιδίων και άλλα τμήματα DNA που δεν κωδικοποιούν πρωτεΐνες.

κεφάλαιο 4

Έτσι πρέπει μέσα από όλα αυτά τα κομμάτια να εντοπίσουμε αυτό που θέλουμε να μελετήσουμε. Η τεχνική που χρησιμοποιείται συνήθως περιλαμβάνει τη χρήση ιχνηθετημένων ανιχνευτών μορίων DNA ή RNA που περιέχουν αλληλουχίες συμπληρωματικές προς το κλωνοποιημένο DNA. Οι ανιχνευτές αναμειγνύονται με το DNA της βιβλιοθήκης (το οποίο έχει αποδιαταχθεί) και υβριδοποιούν μόνο το συμπληρωματικό τους DNA.

Η διαδικασία της υβριδοποίησης ακολουθείται και για την απομόνωση ενός συγκεκριμένου γονιδίου από μια cDNA βιβλιοθήκη.

Η αλυσιδωτή αντίδραοη πολυμεράσης (PCR) επιτρέπει τον επιλεκτικό πολλαπλασιασμό αλληλουχιών DNA

Η κατασκευή βιβλιοθηκών μας δίνει τη δυνατότητα να απομονώσουμε το βακτηριακό κλώνο που περιέχει το επιθυμητό γονίδιο. Στη συνέχεια πολλαπλασιάζονται τα βακτήρια του κλώνου

και δημιουργούνται πολλά αντίγραφα του γονιδίου που περιέχει. Η δημιουργία πολλών αντιγράφων είναι απαραίτητη προϋπόθεση τόσο για τη μελέτη του συγκεκριμένου γονιδίου όσο και για την παραγωγή της πρωτεΐνης που αυτό κωδικοποιεί.

Η μέθοδος αλυσιδωτής αντίδρασης πολυμεράσης (PCR: Polymerase Chain Reaction) μας επιτρέπει να αντιγράψουμε επιλεκτικά, εκατομμύρια φορές, ειδικές αλληλουχίες DNA από ένα σύνθετο μείγμα μορίων DNA, χωρίς τη μεσολάβηση ζωντανού κυττάρου (Εικόνα 4.6). Η τεχνική αυτή που άρχισε να εφαρμόζεται ευρέως από το 1985, έχει αυξήσει την ευαισθησία των γενετικών αναλύσεων και έχει πολλές πρακτικές εφαρμογές. Για παράδειγμα χρησιμοποιείται στην Ιατρική για τη διάγνωση ασθενειών όπως του AIDS, στην εγκληματολογία για τη διαλεύκανση υποθέσεων και στη μελέτη DNA από απολιθώματα.

Εικόνα 4.6 Αλυσιδωτή αντίδραση πολυμεράσης (PCR).

Εικόνα 4.6

Χρήσιμες πρωτεΐνες από ανασυνδυασμένα βακτήρια

Η κατασκευή του cDNA δίνει τη δυνατότητα σύνθεσης της πρωτεΐνης ενός συγκεκριμένου γονιδίου, που ανήκει σε ευκαρυωτικό οργανισμό, μέσα σε βακτήρια.
Οι ερευνητές Walter Gilbert και Lydia Villa-Komaroff κατόρθωσαν να συνθέσουν προϊνσουλίνη ποντικού με την παρακάτω διαδικασία: Αρχικά χρησιμοποιείται το ένζυμο αντίστροφη μεταγραφάση για να μεταφέρει τη γενετική πληροφορία για τη σύνθεση της πρωτεΐνης, από το mRNA που έχει απομονωθεί από κύτταρα ποντικού, σε ένα μονόκλωνο cDNA. Το «καλούπι» mRNA στη συνέχεια καταστρέφεται (με την επίδραση βάσης) και, με τη βοήθεια του ενζύμου DNA πολυμεράση, συντίθεται ένας συμπληρωματικός κλώνος DNA, ο οποίος είναι συνέχεια του πρώτου. Ένα τρίτο ένζυμο, η S1 νουκλεάση, διασπά τη «φουρκέτα» που ενώνει τους δύο συμπληρωματικούς κλώνους δημιουργώντας ένα δίκλωνο μόριο.

Εικόνα
Στο επόμενο βήμα το δίκλωνο «ξένο» DNA ενώνεται με ένα πλασμίδιο ως εξής: Μια τρανσφεράση επιμηκύνει τα 3' άκρα του προσθέτοντας μια μικρή αλληλουχία όμοιων νουκλεοτιδίων (στην περίπτωση αυτή 4 νουκλεοτίδια κυτοσίνης). Ομοίως επιμηκύνονται τα κομμένα 3' άκρα του DNA του πλασμιδίου, με την προσθήκη μιας αλληλουχίας συμπληρωματικών νουκλεοτιδίων (4 νουκλεοτίδια γουανίνης). Οι συμπληρωματικές βάσεις των μονόκλωνων άκρων σχηματίζουν δεσμούς υδρογόνου και τα δύο μόρια DNA ενώνονται. Τέλος, ένζυμα του βακτηρίου συμπληρώνουν τα κενά ενσωματώνοντας πλήρως το «ξένο» DNA μέσα στο DNA του πλασμιδίου, το οποίο με τη σειρά του χρησιμεύει σαν φορέας εισαγωγής του DNA αυτού μέσα σε βακτήριο-ξενιστή.
Το συγκεκριμένο πλασμίδιο που χρησιμοποιήθηκε από τους Walter Gilbert και Lydia Villa-Komaroff προσδιορίζεται ως pBR322 και περιέχει δύο γονίδια ανθεκτικότητας σε αντιβιοτικά (την πενικιλίνη και την τετρακυκλίνη). Το πλασμίδιο κόβεται με την περιοριστική ενδονουκλεάση Pst σε μια αλληλουχία αναγνώρισης που βρίσκεται στη μέση του γονιδίου που κωδικοποιεί την πενικιλινάση (ένζυμο που διασπά την πενικιλίνη). Η ενσωμάτωση του «ξένου» DNA καταστρέφει την ενζυμική δράση της πενικιλινάσης, ενώ η ανθεκτικότητα στην τετρακυκλίνη παραμένει και χρησιμοποιείται για να επιλεγούν τα βακτήρια που έχουν δεχθεί το ανασυνδυασμένο πλασμίδιο.

 
κεφάλαιο 4

Αποτυπώματα DNA (DNA fingerprinting)

Μια επαναστατική μέθοδος που ονομάζεται μέθοδος αποτυπωμάτων DNA στηρίζεται στο γεγονός ότι δεν υπάρχουν άτομα, με εξαίρεση τους μονοζυγωτικούς διδύμους, που να έχουν το ίδιο ακριβώς DNA. Η μέθοδος αυτή χρησιμοποιείται για τη διαλεύκανση εγκλημάτων και την αναγνώριση της ταυτότητας ατόμων. Σύμφωνα με αυτή το DNA ενός ατόμου, π.χ. του υπόπτου, συγκρίνεται με το DNA που απομονώνεται από βιολογικό υλικό, όπως εκριζωμένες τρίχες, ή κηλίδα σπέρματος, το οποίο βρέθηκε στο χώρο του εγκλήματος. Τα αποτελέσματα της σύγκρισης του DNA μας δίνουν τη δυνατότητα να συμπεράνουμε αν τα δύο δείγματα προέρχονται από το ίδιο άτομο ή όχι.

Πατέρας της μεθόδου αυτής είναι ο Άλεκ Τζέφρις, ο οποίος ανακάλυψε έναν τρόπο εντοπισμού ορισμένων περιοχών του DNA, που παρουσιάζουν μεγάλη ποικιλομορφία στον ανθρώπινο πληθυσμό. Η πρώτη εφαρμογή της μεθόδου έγινε στη Μεγάλη Βρετανία. Στις 21 Νοεμβρίου 1985, η 15χρονη Λίντα Μαν βρέθηκε δολοφονημένη μετά από βιασμό σε ένα ερημικό δρόμο στο Λεϊσεστερσάιρ. Στις 31 Ιουλίου 1986 σε γειτονικό χωριό βρέθηκε επίσης δολοφονημένη μετά από βιασμό η 15χρονη Ντον Ασγουορθ. Η τοπική Αστυνομία αποφάσισε να υποβάλει σε ανάλυση DNA, από δείγμα αίματος, όλους τους άρρενες κατοίκους τριών χωριών της περιοχής, ηλικίας 13-30 χρονών. Πεντέμισι χιλιάδες άτομα πέρασαν από το τεστ προκειμένου να συγκριθεί το DNA τους με το DNA του βιαστή που απομονώθηκε από τα ίχνη σπέρματος στα θύματά του. Στα τέλη Σεπτεμβρίου και ενώ οι αναλύσεις δεν είχαν ακόμη τελειώσει, ο 27χρονος Κόλιν Πίτσφορκ, διέφυγε από τη δειγματοληψία αίματος. Το γεγονός αυτό έγινε γνωστό και η Αστυνομία υπέβαλε σε υποχρεωτική εξέταση τον Κ. Πίτσφορκ και έστειλε δείγμα αίματος του για ανάλυση DNA. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι το DNA του υπόπτου ήταν το ίδιο με το DNA που απομονώθηκε από τα θύματα. Ο δράστης παραπέμφθηκε στη δικαιοσύνη και του επιβλήθηκε ποινή κάθειρξης είκοσι ετών. Τα λόγια που είπε ο δικαστής ήταν ότι, χωρίς τα αποτελέσματα της ανάλυσης DNA, ο δράστης ίσως να κυκλοφορούσε ακόμη ελεύθερος.

Εικόνα
Η μέθοδος ανάλυσης αποτυπωμάτων DNA χρησιμοποιείται επίσης και για την εξακρίβωση ταυτότητας πτωμάτων σε περιπτώσεις που αυτά είναι παραμορφωμένα από σεισμούς, πυρκαγιές, αεροπορικά δυστυχήματα κτλ. Χρήση της μεθόδου αυτής γίνεται επίσης στις περιπτώσεις όπου αμφισβητείται η πατρότητα ενός παιδιού. Στην περίπτωση αυτή DNA που απομονώνεται από το αίμα του παιδιού, συγκρίνεται με το DNA από το αίμα του υπό αμφισβήτηση πατέρα και με το DNA της μητέρας. Το γεγονός ότι το γενετικό αποτύπωμα του παιδιού είναι αποτέλεσμα συνδυασμού του γενετικού αποτυπώματος της μητέρας και αυτό του πατέρα, μας επιτρέπει την ταυτοποίηση του πατέρα.

Στην Ελλάδα η εξέταση του DNA γίνεται από το 1994 και ως σήμερα έχουν διερευνηθεί πάνω από 650 περιπτώσεις. Πολλές από αυτές αφορούν πολύκροτες υποθέσεις που έχουν δει τα φώτα της δημοσιότητας όπως αυτή της διπλής δολοφονίας του επιχειρηματία Γ. Νικολαίδη και της φίλης του Σ. Καλαθάκη, καθώς και την αναγνώριση της ταυτότητας των δύο θυμάτων που είχαν βρεθεί σε κατάσταση αποσύνθεσης στη θέση Κρόνιζα Λεονταρίου στη Βοιωτία. Τα δύο πτώματα, όπως διαπιστώθηκε, ήταν του δραπέτη των φυλακών της Κέρκυρας Μ. Αδαμαντίδη και της φίλης του Α. Βλαχοστεργίου.

Τα στάδια που ακολουθεί η μέθοδος αποτυπωμάτων DNA, είναι τα εξής:

  • Απομόνωση του DNA από τον ύποπτο και από το βιολογικό υλικό.
  • Πολλαπλασιασμός πολυμορφικών περιοχών του μορίου DNA με τη μέθοδο PCR.
  • Διαχωρισμός με ηλεκτροφόρηση των συγκεκριμένων περιοχών (βλ. ένθετο).
  • Ανάλυση αποτελεσμάτων.

Περίληψη

Η τεχνολογία του ανασυνδυασμένου DNA έχει ως στόχο την απομόνωση και τον πολλαπλασιασμό ειδικών αλληλουχιών DNA μετά από ενσωμάτωση τους σε μόρια φορείς. Τα ανασυνδυασμένα μόρια που προκύπτουν εισάγονται σε βακτήρια E. coli και πολλαπλασιάζονται.
Οι γονιδιωματικές βιβλιοθήκες κατασκευάζονται μετά από κόψιμο του ολικού DNA ενός οργανισμού με περιοριστικές ενδονουκλεάσες, ενσωμάτωση των κομματιών με μόρια φορείς όπως πλασμίδια ή φάγους και εισαγωγή τους, μετά απο μετασχηματισμό, σε βακτήρια E. coli. Κάθε βακτήριο περιέχει ένα μόνο τμήμα DNA και δίνει γένεση σε έναν κλώνο. Η διαδικασία ονομάζεται κλωνοποίηση. Κάθε γονιδιωματική βιβλιοθήκη αποτελείται από χιλιάδες κλώνους που αντιπροσωπεύουν όλο το γονιδίωμα του οργανισμού. Ένα συγκεκριμένο τμήμα DNA ή γονίδιο επιλέγεται με τη βοήθεια DNA ανιχνευτών.
Οι cDNA βιβλιοθήκες κατασκευάζονται από mRNA που απομονώνεται από διαφοροποιημένα ευκαρυωτικά κύτταρα. Αρχικά από το mRNA παράγεται δίκλωνο DNA, μέσω του ενζύμου αντίστροφη μεταγραφάση, το οποίο ενσωματώνεται σε μόρια φορείς και στη συνέχεια εισάγεται σε βακτήρια. Από τις cDNA βιβλιοθήκες μπορεί να επιλεγεί ένα γονίδιο που αποτελείται μόνο από τις περιοχές που κωδικοποιούν αμινοξέα. Το γονίδιο, μετά από κάποιες τροποποιήσεις, μπορεί να παράγει μια πρωτεΐνη σε μεγάλη ποσότητα. Με την αλυσιδωτή αντίδραση πολυμεράσης (PCR) ένα τμήμα DNA πολλαπλασιάζεται μέσα σε δοκιμαστικό σωλήνα απουσία κυττάρων.

Ερωτήσεις

1. Γιατί οι περιοριστικές ενδονουκλεάσες και οι φορείς κλωνοποίησης είναι απαραίτητα εργαλεία για τη Γενετική Μηχανική;

2.Τι είναι μια γονιδιωματική βιβλιοθήκη:

  • ένας κλώνος βακτηρίων που περιέχει ένα τμήμα DNA ενός οργανισμού
  • μια συλλογή βιβλίων για κλώνους
  • ένα σύνολο από κλώνους βακτηρίων που ο καθένας έχει ένα πλασμίδιο με διαφορετικό τμήμα DNA ενός οργανισμού
  • ένα σύνολο από περιοριστικές ενδονουκλεάσες που χρησιμοποιούνται για να παράγουν διαφορετικούς κλώνους
  • τίποτε από τα παραπάνω.
  • Ποια είναι η σωστή απάντηση;

3. Θα μπορούσε να αναπτυχθεί η τεχνολογία του ανασυνδυασμένου DNA αν ο γενετικός κώδικας δεν ήταν καθολικός; Αιτιολογείστε την απάντηση σας.

4. Εξηγείστε με σχήματα το πώς παράγεται το cDNA και το πώς χρησιμοποιείται στην τεχνολογία του ανασυνδυασμένου DNA.

5. Συμπληρώστε με τις κατάλληλες λέξεις τα κενά στο κείμενο:
To DNA κόβεται με ......................... σε κομμάτια με γνωστά άκρα. Τα κομμάτια συνδέονται με ένα .............. .................... που έχει συμπληρωματικά άκρα, με τη βοήθεια ενός ενζύμου που λέγεται ................ .......................

To cDNA μπορεί να κατασκευαστεί από το ........................... με τη βοήθεια ενζύμου που ονομάζεται ................. .................. και να συνδεθεί με ένα ........................... Το ανασυνδυασμένο μόριο εισάγεται κατόπιν σε ............................

6. Ποια κύτταρα θα χρησιμοποιούσατε για να κατασκευάσετε μία cDNA βιβλιοθήκη, εάν θα θέλατε να συνθέσετε με τη μέθοδο αυτή:

α. Ινσουλίνη

β. Αιμοσφαιρίνη

γ. Αντισώματα

δ. Μυοσίνη.

7. Για ποιο λόγο, κατά την ενσωμάτωση DNA ευκαρυωτικού οργανισμού σε πλασμίδιο, χρησιμοποιείται η ίδια περιοριστική ενδονουκλεάση για να κόψει το πλασμίδιο και το DNA ΤΟΥ οργανισμού;

8. Ποιος είναι ο ρόλος των παρακάτω στις τεχνικές Γενετικής Μηχανικής;

α. Περιοριστικές ενδονουκλεάσες

β. Πλασμίδια

γ. Βακτήρια.

9.Οι περιοριστικές ενδονουκλεάσες:

α. παράγονται φυσιολογικά από ευκαρυωτικά κύτταρα

β. κόβουν μονόκλωνα μόρια DNA

γ. κόβουν το DNA σε πολύ εξειδικευμένες θέσεις

δ. εισάγονται στα βακτήρια από τους βακτηριοφάγους. Ποια από τις προτάσεις αυτές είναι σωστή;

κεφάλαιο 4

10. Ποια από τις παρακάτω προτάσεις που αφορούν την DNA δεσμάση είναι λανθασμένη;

α. είναι ένζυμο

β. είναι φυσιολογικό συστατικό των κυττάρων

γ. μπορεί να ενώνει κομμάτια στο ανασυνδυασμένο DNA

δ. παίρνει μέρος στην αντιγραφή του DNA

ε. ενώνει πολυπεπτίδια.

11. Τι είναι ή σε τι χρησιμοποιείται η αλυσιδωτή αντίδραση πολυμεράσης (PCR);

α. Είναι μέθοδος εύρεσης της ακολουθίας βάσεων του DNA.

β. Χρησιμοποιείται για να ανιχνεύει ένα ειδικό τμήμα DNA.

γ. Χρησιμοποιείται για να παράγει μεγάλες ποσότητες ενός ειδικού τμήματος DNA.

δ. Χρησιμοποιείται για τη χαρτογράφηση γονιδίων.

 

Εργασίες - Δραστηριότητες

Κάνετε ένα κατάλογο των φαινομένων και τεχνικών που συζητούνται στο κεφάλαιο αυτό και εξαρτώνται από τη συμπληρωματικότητα των βάσεων.

12. Σε πείραμα Γενετικής Μηχανικής χρησιμοποιείται πλασμίδιο το οποίο έχει δύο γονίδια ανθεκτικότητας σε αντίστοιχα αντιβιοτικά: το ένα γονίδιο προσδίδει ανθεκτικότητα σε αμπικιλίνη και το άλλο σε στρεπτομυκίνη.
Στο πλασμίδιο αυτό εισάγεται τμήμα DNA μέσα στο γονίδιο ανθεκτικότητας της αμπικιλίνης. Στη συνέχεια με το ανασυνδυασμένο πλασμίδιο μετασχηματίζονται κύτταρα Escherichia coli που δεν είναι ανθεκτικά σε κανένα από τα δύο αντιβιοτικά. Αναλύατε τον τρόπο με τον οποίο μπορούν να επιλεγούν τα βακτήρια που περιέχουν το ανασυνδυασμένο πλασμίδιο.

 

Ταξίδι στο χρόνο

1972. Δημιουργείται το πρώτο ανασυνδυασμένο μόριο DNA σε εργαστηριακές συνθήκες (in vitro).
1974. Επιτυγχάνεται η κλωνοποίηση ευκαρυωτικών γονιδίων σε βακτηριακά πλασμίδια.
1977. Επιτυγχάνεται η ανάπτυξη τεχνικών προσδιορισμού της αλληλουχίας βάσων του DNA.
1981. Επιτυγχάνεται η παραγωγή διαγονιδιακών ποντικών και μυγών.
1982. Παράγεται ανθρώπινη ινσουλίνη με χρήση τεχνικών της Γενετικής Μηχανικής και παίρνει άδεια χρήσης για διαβητικούς. «Απελευθερώνεται» στο φυσικό περιβάλλον το πρώτο γενετικά τροποποιημένο φυτό, ο καπνός.
1987. Αναπτύσσεται η μέθοδος της αλυσιδωτής αντίδρασης πολυμεράσης (PCR: Polymerase Chain Reaction) που χρησιμοποιείται στον πολλαπλασιασμό συγκεκριμένων αλληλουχιών DNA.