Как бактерия «обманывает» растения, а ученые — бактерию

Изучая почвенную бактерию Agrobacterium tumefaciens, образую­щую на стволах деревьев и кустарников характерные наросты (корончатые галлы), ученые выяснили, что в процессе эволюции бактерия выработала изощренный способ паразитировать на расте­ниях. В определенных условиях (например, при наличии ранки на растении) бактерия переносит фрагмент собственной ДНК (полу­чивший название Т-ДНК, от англ, transferred — переносимая) в ядро растительной клетки, где он встраивается в хромосому. Ме­ханизм растения, отвечающий за «считывание» собственной ДНК и синтез белка, воспринимает ДНК бактерии как свою собственную и воспроизводит ее вместе с обычными растительными генами (этот процесс называется транскрипцией). Образующиеся в результете инфекции наросты —• экологическая ниша агробактерии: парази­тируя на молекулярном уровне, агробактерия вынуждает растение вырабатывать питательные вещества для собственной жизнедея­тельности.

Этот способ паразитирования уникален. Типичный представи­тель прокариот, агробактерия переносит в растения участок ДНК, который по своим характеристикам оказывается характерным для эукариот (все высшие растения — эукариоты), потому-то растение и не отторгает его. Остается загадкой, как в процессе эволюции бактерии удалось «обзавестись» таким же, как у высших организ­мов, участком ДНК. Впрочем, и сам механизм трансформации рас­тения, т. е. переноса Т-ДНК в растительную клетку, ее попадания в ядро и внедрения в хромосому, до конца еще не изучен. Зато в де­талях известно, как происходит первый («бактериальный») этап трансформации. Т-ДНК находится в бактерии в составе кольцевой ДНК, называемой плазмидой (характерный для бактерий внехро-мосомный генетический элемент, выполняющий вспомогательные функции, — например, перенос генетической информации между клетками). При поражении растения агробактерией в его геном пе­реносится участок ДНК (та самая Т-ДНК) плазмиды, получившей название Ti (от англ. Tumor inducing — опухолеобразующая). Для переноса важны только концевые участки Т-ДНК, а инициируют его гены, находящиеся вне Т-ДНК.

7* 99

Это открытие оказалось очень важным для генной инженерии ' растений. Собственно, ее история и началась с момента, когда ученые научились заменять гены растения и гены бактерии в Т-ДНК генами, которые необходимо ввести в растение. «Обману­ тая» бактерия, внедряя свою ДНК в хромосому растения, в свою • очередь, «обманывает» его геном, вынуждая исправно синтезиро- '• вать необходимые человеку продукты. i

Так, используя природный механизм горизонтального переноса; генов" (между одновременно существующими организмами, а не от -родителей — к потомкам), научились получать растения с «чужи- i ми», но полезными генами.

Как это выглядит на практике j

Основанный на целенаправленном переносе генов агробактериями J метод генной инженерии придал мощный импульс развитию фун-1 даментальной и прикладной биологии и биотехнологии. Первыми ] трансформированными видами стали растения семейства паслено­вых — табак и картофель. Дело в том, что пасленовые сравни­тельно легко модифицировались с использованием различных штаммов (видов) агробактерий. Со временем выяснилось, что подо­бным образом удается трансформировать большинство представи­телей класса двудольных.

Природный процесс имитируют так. Нарезают стебли или лис­тья молодых побегов и наносят на них суспензию агробактерий. Повреждение тканей растения в нарезаемых кусочках (экспланта­тах) облегчает перенос Т-ДНК из бактерии — ее рецепторы воспри-' нимают выделяемые в разрезах фенольные соединения как «сиг­нал к атаке». Далее процесс полностью зависит от агробактерий; с ее отработанными за тысячелетия навыками «генного инже­нера». Исследователь априори не знает, какая клетка эксплантата трансформируется, сколько копий Т-ДНК встроится в геном и в ка­кие хромосомы, и не в силах это контролировать, но, одновременно модифицируя множество эксплантатов, впоследствии отбирает те регенерировавшие растения, что представляют для него интерес. Собственно, эта работа сродни труду селекционера, который после скрещивания из множества вариантов отбирает нужный. Как в обычной селекции есть маркеры (признаки), по которым ведется отбор, так и в генной инженерии есть набор генов-маркеров, по экспрессии которых определяются факт трансформации, эффек­тивность «работы» введенных генов в определенных клетках и тка-

* Подробнее об этом см. с. 80-86.

100

«Нужный» ген «Встраивание» гена

«Вырезанный» ген _{в ген0}м растения

Регенерация растений in vitro («в пробирке»)

Хромосомы

Селекция * трансгенных растений

Плазмида - «Разрезание» «переносчик»гена гогазмиды

Схема получения трансгенных растений

нях, а с недавних пор — даже их положение в определенной хро­мосоме.

Схема трансформации

Итак, если к «полезному» гену присоединить маркер (а это сегодня не представляет труда) и ввести в Т-ДНК агробактерии, далее всю работу возьмет на себя природа: при совместном культивировании эксплантатов с агробактерией произойдет трансформация, и моле­кулярному селекционеру останется отобрать (по экспрессии гена-маркера) нужные варианты.

Этап поиска и клонирования генов (их выделение и «сборка» в одну конструкцию) уже отлажен. Гены, кодирующие белки, со­стоят, как правило, из трех основных участков: промотора (опре­деляющего экспрессию данного гена, с чего начинается транс­крипция); кодирующей части (где содержится информация о структуре белка — продукта этого гена) и поли-А-области (це­почки адениновых нуклеотидов, ответственной за окончание транскрипции). В генной инженерии из частей разных генов по­лучают рекомбинантные (химерные) гены. Например, кодирую­щий участок в таком гене может быть «позаимствован» у любого организма. Возможность свободно обращаться с генетическим материалом — основное преимущество молекулярной селекции перед традиционной, где перенос генов происходит лишь между близкородственными видами. Кроме того, используя подходя­щие промоторы, можно добиться, чтобы экспрессия гена проис­ходила в нужных органах или тканях (корнях, клубнях, лис­тьях, зернах) и в нужное время (скажем, при дневном освещении).

На следующем этапе остается ввести нужный ген в Т-ДНК, а далее, как уже отмечалось, всю работу выполняет агробактерия, т. е. природа: выбирает клетку-мишень, доставляет Т-ДНК к ее

101

ядру, «протаскивает» Т-ДНК, окутанную специальным белком, через ядерные поры и, найдя «подходящий» участок ДНК в хро­мосоме выбранной клетки, вставляет туда Т-ДНК с нужным ге­ном.

Теоретически из любой клетки может развиться целое расте­ние, поэтому трансформированные клетки отбирают по работе гена-маркера и получают из них полноценные растения.