Anwendung der Gentechnik in der wissenschaftlichen Forschung
- Gen-Knockout
Um die Funktion des einen oder anderen zu studieren
Beim Knockout wird das gleiche Gen oder sein Fragment synthetisiert und so verändert, dass das Genprodukt seine Funktion verliert. Hauptimplementierungsmethoden: Zinkfinger, Morpholino und TALEN.
Um Knockout-Mäuse zu erhalten, die erhaltenenDas gentechnisch veränderte Konstrukt wird in embryonale Stammzellen eingebracht, wo das Konstrukt eine somatische Rekombination durchläuft und das normale Gen ersetzt, und die veränderten Zellen werden in die Blastozyste der Leihmutter implantiert. Bei der Fruchtfliege werden in einer großen Population Drosophila-Mutationen initiiert, in denen dann Nachkommen mit der gewünschten Mutation gesucht werden. Pflanzen und Mikroorganismen werden auf ähnliche Weise ausgeschaltet.
- Künstlicher Ausdruck
Eine logische Ergänzung zu Knockout istkünstliche Expression, d. h. das Hinzufügen eines Gens zum Körper, das er vorher nicht hatte. Diese gentechnische Technik kann auch verwendet werden, um die Funktion von Genen zu untersuchen. Im Wesentlichen ist der Prozess der Einführung zusätzlicher Gene der gleiche wie beim Knockout, jedoch werden vorhandene Gene nicht ersetzt oder beschädigt.
- Genproduktvisualisierung
Wird verwendet, wenn die Aufgabe darin besteht, zu lernenLokalisierung des Genprodukts. Eine der Markierungsmethoden besteht darin, das normale Gen durch ein Gen zu ersetzen, das mit einem Reporterelement fusioniert ist, beispielsweise mit dem grün fluoreszierenden Protein-Gen GFP. Dieses im blauen Licht fluoreszierende Protein wird verwendet, um das Produkt der genetischen Veränderung sichtbar zu machen.
Obwohl diese Technik bequem und nützlich ist, sind ihre Nebenwirkungendie Folgen können ein teilweiser oder vollständiger Funktionsverlust des untersuchten Proteins sein. Eine anspruchsvollere, wenn auch nicht so bequeme Methode besteht darin, dem zu untersuchenden Protein nicht so große Oligopeptide hinzuzufügen, die mit spezifischen Antikörpern nachgewiesen werden können.
- Untersuchung des Expressionsmechanismus
Bei solchen Experimenten besteht die Aufgabe darin, zu studierenBedingungen der Genexpression. Expressionsmerkmale hängen in erster Linie von einem kleinen DNA-Stück vor der kodierenden Region ab, das als Promotor bezeichnet wird und der Bindung von Transkriptionsfaktoren dient.
Diese Stelle wird in den Körper eingeführt, indem sie danach platziert wirdstatt eines eigenen Reportergens beispielsweise GFP oder ein Enzym, das eine leicht nachweisbare Reaktion katalysiert. Neben der Tatsache, dass sich die Funktion des Promotors in bestimmten Geweben irgendwann deutlich bemerkbar macht, ermöglichen solche Experimente, die Struktur des Promotors durch Entfernen oder Hinzufügen von DNA-Fragmenten zu untersuchen sowie künstlich zu verstärken seine Funktionen.
Warum wird die menschliche Gentechnik benötigt?
Auf den Menschen übertragen könnte die Gentechnikzur Behandlung von Erbkrankheiten verwendet. Technisch gesehen besteht jedoch ein signifikanter Unterschied zwischen der Behandlung des Patienten selbst und der Modifikation des Genoms seiner Nachkommen.
Die Aufgabe, das erwachsene Genom zu verändernist etwas komplizierter als die Züchtung neuer gentechnisch veränderter Tierrassen, da in diesem Fall das Genom zahlreicher Zellen eines bereits gebildeten Organismus und nicht nur einer embryonalen Eizelle verändert werden muss. Zu diesem Zweck wird vorgeschlagen, Viruspartikel als Vektor zu verwenden.
Viruspartikel können eindringenein erheblicher Prozentsatz erwachsener Zellen, die ihre Erbinformationen in sie einbetten; Eine kontrollierte Vermehrung von Viruspartikeln im Körper ist möglich. Um Nebenwirkungen zu reduzieren, versuchen Wissenschaftler gleichzeitig, das Einbringen gentechnisch veränderter DNA in die Zellen der Geschlechtsorgane zu vermeiden und so die Auswirkungen auf die zukünftigen Nachkommen des Patienten zu vermeiden.
Bemerkenswert ist auch die deutliche Kritik an dieser Technologie in den Medien: Die Entwicklung gentechnisch veränderter Viren wird von vielen als Bedrohung für die gesamte Menschheit wahrgenommen.
Mit Hilfe der Gentherapie ist es künftig möglich, das menschliche Genom zu verändern. Derzeit werden wirksame Methoden zur Veränderung des menschlichen Genoms entwickelt und an Primaten getestet.
Lange Zeit gentechnisch veränderte Affenstieß auf ernsthafte Schwierigkeiten, doch 2009 waren die Experimente von Erfolg gekrönt: In der Zeitschrift Nature erschien eine Veröffentlichung über den erfolgreichen Einsatz gentechnisch veränderter viraler Vektoren zur Heilung eines erwachsenen männlichen Affen von Farbenblindheit. Im selben Jahr wurde der erste gentechnisch veränderte Primat geboren (aus einem modifizierten Ei gezüchtet) brachte Nachkommen zur Welt. - Weißbüschelaffe (Callithrix jacchus).
Wenn auch in kleinem Maßstab, hat die Gentechnik dies bereits getanWird verwendet, um Frauen mit bestimmten Arten von Unfruchtbarkeit eine Chance auf eine Schwangerschaft zu geben. Dabei werden Eizellen einer gesunden Frau verwendet. Dadurch erbt das Kind den Genotyp von einem Vater und zwei Müttern.
Allerdings ist die Möglichkeit der Einführung bedeutenderVeränderungen im menschlichen Genom sind mit einer Reihe schwerwiegender ethischer Probleme konfrontiert. Im Jahr 2016 erhielt eine Gruppe von Wissenschaftlern in den USA die Zulassung für klinische Studien einer Krebsbehandlungsmethode mit patienteneigenen Immunzellen, die mit der CRISPR / Cas9-Technologie gentechnisch verändert werden.
Ende 2018 wurden in China zwei Kinder geboren,deren Genom im Rahmen der seit 2016 durchgeführten Forschung zur Bekämpfung von HIV im Embryonalstadium mit der CRISPR/Cas9-Methode künstlich verändert wurde (das CCR5-Gen wurde ausgeschaltet). Einer der Eltern (Vater) war HIV-infiziert und die Kinder kamen laut Aussage gesund zur Welt.
Da das Experiment nicht autorisiert war (vorherDaher waren alle derartigen Experimente an menschlichen Embryonen nur in den frühen Entwicklungsstadien mit anschließender Zerstörung des Versuchsmaterials erlaubt, also ohne Einnistung des Embryos in die Gebärmutter und ohne die Geburt von Kindern), so der dafür verantwortliche Wissenschaftler Beweise für seine Aussagen, die auf einer internationalen Konferenz zum Thema Genom-Editierung gemacht wurden, kann er nicht liefern.
Ende Januar 2019 bestätigten die chinesischen Behörden offiziell die Fakten zu diesem Experiment. In der Zwischenzeit wurde dem Wissenschaftler jegliche wissenschaftliche Tätigkeit untersagt und er wurde festgenommen.
Wie wird das menschliche Genom bearbeitet?
- Zinkfingermethode
"Zinkfinger" finden sich in der Kompositionmenschliche Proteine. Dank dieser Methode ist es möglich, eine ZFN-Kette so zu gestalten, dass sie einen bestimmten DNA-Abschnitt erkennt. Dadurch ist es möglich, gezielt Bereiche innerhalb komplexer Genome anzusteuern.
Zinkfingerdomänen finden sich inmenschliche Transkriptionsfaktoren – Proteine, die den Prozess der RNA-Synthese mit der DNA-Vorlage regulieren. Bei der Herstellung künstlicher Nukleasen ist es möglich, eine Kette von „Zinkfingern“ zu konstruieren, die einen bestimmten Abschnitt der DNA erkennt.
Wenn eine solche Kette lang genug ist, ist siekönnen relativ ausgedehnte DNA-Sequenzen erkennen, die aus einer Reihe von Trinukleotidfragmenten bestehen. Dies bedeutet eine reale Möglichkeit, gezielt auf bestimmte Bereiche innerhalb großer komplexer Genome einzuwirken.
Allerdings zeigte auch die „Zinkfinger“-Methode Aufschlussgravierende Nachteile: Erstens handelt es sich hierbei um keine sehr strenge Erkennung von Trinukleotid-Wiederholungen, was zu einer auffälligen Anzahl von DNA-Spaltungen in „Nicht-Ziel“-Regionen führt.
Zweitens erwies sich die Methode als sehr mühsam undteuer, da für jede DNA-Sequenz eine eigene optimierte Proteinstruktur von Zinkfinger-Nukleasen geschaffen werden muss. Daher ist das System "Zinkfinger" nicht weit verbreitet.
- TALEN
Im Jahr 2011 nannte die Zeitschrift Nature Methods das SystemTALEN (Transcription Activator-like Effector Nucleases) "Methode des Jahres" aufgrund vielfältiger Anwendungsmöglichkeiten in verschiedenen Bereichen der Grundlagen- und angewandten Wissenschaft.
TALEN ist eine der Methoden der gezielten AnwendungDNA-Bruch mit anschließender "Heilung" - um Gene bei Mäusen auszuschalten. Unmittelbar nach ihnen wurde mit dieser Technologie eine Mutation in das Mausgenom eingeführt, die zur Entwicklung eines der erblichen Syndrome führte. Den Autoren der Methode zur Modellierung genetisch bedingter Krankheiten ist es gelungen, das Mausgenom nicht nur zu "verderben", sondern auch wieder zu korrigieren.
- CRISPR / Cas9
Die Methode liefert einen genauen Effekt auf bestimmte DNA-Regionen und kann in fast jedem modernen molekularbiologischen Labor verwendet werden.
Dieses System basiert auf speziellen Bereichenbakterielle DNA – CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats oder Short palindromic Cluster Repeats). Diese Wiederholungen sind durch Spacer getrennt – kurze Fragmente fremder DNA. Letztere werden in das Genom eingebaut, nachdem die DNA mit ihrem Genom rekombiniert wurde.
Beispiele für Human Editing
- Genome Editing direkt im Körper
Krankheit des 44-jährigen Bewohners von Arizona, BrianMado manifestierte sich in der frühen Kindheit. Es ist unheilbar und wird hauptsächlich von Männern vererbt. Mukopolysaccharidose Typ II ist eine Stoffwechselerkrankung: Menschen mit ihr haben eine Mutation in einem Gen, das für die Produktion eines Enzyms verantwortlich ist, das am Abbau komplexer Kohlenhydrate beteiligt ist. Dadurch reichern sie sich in Zellen an und verursachen zahlreiche Organpathologien.
Der Mann beschloss, an der Klinik teilzunehmenErprobung einer neuen Methode – der Gentherapie. Dies ist nur die erste Phase der Studie, und vor der Registrierung der Therapie (also vor der Erlaubnis, diese Methode für alle Patienten mit Hunter-Syndrom anzuwenden) müssen drei davon vorhanden sein.
In Brians Fall verwendete MethodeMit Mado können Sie das Genom direkt im menschlichen Körper bearbeiten – und gleichzeitig gezielt auf einen bestimmten DNA-Abschnitt abzielen. Die Bearbeitung erfolgt mit sogenannten „Zinkfingern“.
- Gentechnisch veränderte Kinder
Der chinesische Forscher He Jiankui bearbeitete die Genome menschlicher Embryonen vor der In-vitro-Fertilisation, was zu zwei Kindern mit veränderter DNA führte.
CRISPR / Cas9-Systemforscherbearbeitete die Genome von sieben Paarembryonen während der Fortpflanzungsbehandlung. Als Folge einer der Schwangerschaften wurden zwei Zwillingsmädchen mit veränderter DNA von einer gesunden Mutter und einem HIV-infizierten Vater geboren. He Jiankui erklärte, dass er Kindern das CCR5-Gen entfernt habe, was ihnen eine lebenslange Immunität gegen HIV verlieh.
- Wiedersehen mit Gentherapie
Zur Wiederherstellung des Sehvermögens können optogenetische Technologien eingesetzt werden, mit deren Hilfe die Arbeit von Neuronen mit lichtempfindlichen Proteinen von Bakterien und Laserblitzen gesteuert werden kann.
Von dieser Idee geleitet, haben Biologen ein Virus erschaffen,die die ganglionären Neuronen durchdringen können. Diese Nervenzellen sind für die Übertragung von Signalen von der Netzhaut an das menschliche Gehirn verantwortlich. Ein Virus, das in die Ganglienneurose eindringt, lässt es ähnliche Signalmoleküle produzieren. Dieses Verfahren stellt jedoch nicht allein das Sehvermögen wieder her, da die Proteine der Bakterien anders auf Licht reagieren als die Stäbchen und Zapfen der Netzhaut.
Um dieses Problem zu lösen, hat der Basler ProfessorDie Botond Rosca University und der University of Pittsburgh Professor José Sahel haben spezielle Brillen entwickelt, die das eingehende Bild in ein für das Gehirn verständliches Format umwandeln und mit Laserblitzen Ganglienzellen stimulieren. Als Ergebnis kann der Patient die Silhouetten von großen Objekten und Objekten sehen und andere komplexe Aktionen ausführen.
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