Primjena genetskog inženjeringa u znanstvenim istraživanjima
- Genetski nokaut
Для изучения функции того или иного
Za nokaut se sintetizira isti gen ili njegov fragment, modificiran tako da genski produkt gubi svoju funkciju. Glavne metode implementacije: cinkov prst, morfolino i TALEN.
Da bi se dobili nokautirani miševi, dobiveniGenetski inženjerski konstrukt uvodi se u embrionalne matične stanice, gdje se konstrukcija podvrgava somatskoj rekombinaciji i zamjenjuje normalni gen, a izmijenjene stanice ugrađuju se u blastocistu surogat majke. U voćnoj muhi u velikoj populaciji pokreću se mutacije drozofile u kojima se potom traže potomci sa željenom mutacijom. Biljke i mikroorganizmi izbacuju se na sličan način.
- Umjetno izražavanje
Logičan dodatak nokautu jeumjetna ekspresija, odnosno dodavanje gena u tijelo koje prije nije imalo. Ova tehnika genetskog inženjeringa također se može koristiti za proučavanje funkcije gena. U osnovi je postupak uvođenja dodatnih gena isti kao kod nokauta, ali postojeći geni nisu zamijenjeni ili oštećeni.
- Vizualizacija genskog proizvoda
Используется, когда задачей является изучение локализации продукта гена. Одним из способов мечения является замещение нормального гена на слитый с репортерным элементом, например, с геном зеленого флуоресцентного белка GFP. Этот белок, флуоресцирующий в голубом свете, используется для визуализации продукта генной модификации.
Iako je ova tehnika prikladna i korisna, ima nuspojaveposljedice mogu biti djelomični ili potpuni gubitak funkcije proteina koji se proučava. Sofisticiranija, iako ne tako prikladna metoda je dodavanje proteinu koji se proučava ne toliko velikih oligopeptida koji se mogu otkriti pomoću specifičnih antitijela.
- Istraživanje mehanizma ekspresije
В таких экспериментах задачей является изучение условий экспрессии гена. Особенности экспрессии зависят прежде всего от небольшого участка ДНК, расположенного перед кодирующей областью, который называется промотор и служит для связывания факторов транскрипции.
Ovo mjesto unosi se u tijelo stavljanjem nakonumjesto vlastitog reporterskog gena, na primjer, GFP ili enzim koji katalizira lako uočljivu reakciju. Uz činjenicu da funkcioniranje promotora u određenim tkivima u jednom ili drugom trenutku postaje jasno vidljivo, takvi eksperimenti omogućuju istraživanje strukture promotora uklanjanjem ili dodavanjem fragmenata DNA na njega, kao i umjetnim poboljšanjem njegovih funkcija .
Zašto je potreban ljudski genetski inženjering?
Kad se primijeni na ljude, genetski inženjering bi to mogaokoristi se za liječenje nasljednih bolesti. Međutim, tehnički postoji značajna razlika između liječenja samog pacijenta i modificiranja genoma njegovog potomstva.
Задача изменения генома взрослого человека несколько сложнее, чем выведение новых генноинженерных пород животных, поскольку в данном случае требуется изменить геном многочисленных клеток уже сформировавшегося организма, а не одной лишь яйцеклетки-зародыша. Для этого предлагается использовать вирусные частицы в качестве вектора.
Вирусные частицы способны проникать в значительный процент клеток взрослого человека, встраивая в них свою наследственную информацию; возможно контролируемое размножение вирусных частиц в организме. При этом для уменьшения побочных эффектов учёные стараются избегать внедрения генноинженерных ДНК в клетки половых органов, тем самым избегая воздействия на будущих потомков пациента.
Također je vrijedno istaknuti značajnu kritiku ove tehnologije u medijima: razvoj genetski inženjerskih virusa mnogi doživljavaju kao prijetnju čitavom čovječanstvu.
С помощью генотерапии в будущем возможно изменение генома человека. В настоящее время эффективные методы изменения генома человека находятся на стадии разработки и испытаний на приматах.
Долгое время генетическая инженерия обезьян сталкивалась с серьёзными трудностями, однако в 2009 году эксперименты увенчались успехом: в журнале Nature появилась публикация об успешном применении генноинженерных вирусных векторов для излечения взрослого самца обезьяны от дальтонизма. В этом же году дал потомство первый генетически модифицированный примат (выращенный из модифицированной яйцеклетки) — обыкновенная игрунка (Callithrix jacchus).
Хотя и в небольшом масштабе, генная инженерия уже используется для того, чтобы дать шанс забеременеть женщинам с некоторыми разновидностями бесплодия. Для этого используют яйцеклетки здоровой женщины. Ребёнок в результате наследует генотип от одного отца и двух матерей.
Međutim, mogućnost uvođenja značajnijegpromjene u ljudskom genomu suočene su s nizom ozbiljnih etičkih problema. 2016. godine skupina znanstvenika u Sjedinjenim Državama dobila je odobrenje za klinička ispitivanja metode liječenja raka korištenjem vlastitih imunoloških stanica pacijenta, koje su genetski modificirane pomoću tehnologije CRISPR / Cas9.
В конце 2018 года в Китае родились двое детей, геном которых был искусственно изменён (выключен ген CCR5) на стадии эмбриона методом CRISPR/Cas9, в рамках исследований, проводимых с 2016 года по борьбе с ВИЧ. Один из родителей (отец) был ВИЧ-инфицированным, а дети, по заявлению, родились здоровыми.
Поскольку эксперимент был несанкционированным (до этого все подобные эксперименты на человеческом эмбрионе разрешались только на ранних стадиях развития с последующим уничтожением экспериментального материала, то есть без имплантации эмбриона в матку и рождением детей), ответственный за него учёный не предоставил доказательств своим заявлениям, которые были сделаны на международной конференции по редактированию генома.
Krajem siječnja 2019. kineske vlasti službeno su potvrdile činjenice ovog eksperimenta. U međuvremenu je znanstveniku zabranjeno baviti se znanstvenim aktivnostima i uhićen je.
Kako se uređuje ljudski genom?
- Metoda cinkovih prstiju
U sastavu se nalaze "cinkovi prsti"ljudski proteini. Zahvaljujući ovoj metodi moguće je dizajnirati ZFN lanac tako da prepoznaje određeni dio DNA. To omogućuje ciljanje određenih područja unutar složenih genoma.
Домены «цинковые пальцы» встречаются в составе человеческих факторов транскрипции – белков, регулирующих процесс синтеза РНК с матрицей ДНК. При создании искусственных нуклеаз можно сконструировать цепочку из «цинковых пальцев» так, что она будет узнавать определенный участок ДНК.
Ako je takav lanac dovoljno dug, onmogu prepoznati relativno proširene sekvence DNA koje se sastoje od određenog broja trinukleotidnih fragmenata. To znači stvarnu mogućnost ciljanog utjecaja na određena područja unutar velikih složenih genoma.
Однако у метода «цинковых пальцев» обнаружились и серьезные недостатки: во-первых, это не вполне строгое распознавание тринуклеотидных повторов, что приводит к заметному числу расщеплений ДНК в «нецелевых» участках.
Kao drugo, metoda se pokazala vrlo radnom iskupo, jer je za svaku sekvencu DNA potrebno stvoriti vlastitu optimiziranu strukturu proteina nukleaza cinkovih prstiju. Stoga sustav "cinkovi prsti" nije raširen.
- TALEN
Časopis Nature Methods imenovao je sustav 2011. godineTALEN (Transcription Activator-like Effector Nucleases) "metoda godine" zbog širokog spektra mogućih primjena u različitim područjima temeljne i primijenjene znanosti.
TALEN je jedna od metoda usmjerene primjenerazbijanje DNA s njezinim naknadnim "zacjeljivanjem" - da bi se miševima isključili geni. Neposredno nakon njih, ova je tehnologija korištena za uvođenje mutacije u genom mišića, što je dovelo do razvoja jednog od nasljednih sindroma. Autori metode modeliranja genetski uvjetovanih bolesti uspjeli su ne samo "pokvariti" mišji genom, već i ispraviti ga natrag.
- CRISPR / Cas9
Metoda pruža točan učinak na navedena područja DNA i može se koristiti u gotovo svim modernim molekularno biološkim laboratorijima.
Ovaj se sustav temelji na posebnim područjimabakterijska DNA - CRISPR (Klasterirani redovno međusobno razmaknuti kratki palindromski ponavljati ili kratki palindromski klasteri ponavljaju). Ti su ponavljači odvojeni odstojnicima - kratkim fragmentima strane DNA. Potonji su ugrađeni u genom nakon što se DNA rekombinira sa svojim genomom.
Primjeri uređivanja ljudi
- Uređivanje genoma u tijelu
Bolest 44-godišnjeg stanovnika Arizone BrianaMado se očitovao u ranom djetinjstvu. Neizlječiva je i nasljeđuju je uglavnom muškarci. Mukopolisaharidoza tipa II je metabolički poremećaj: ljudi s njom imaju mutaciju gena odgovornog za proizvodnju enzima koji je uključen u razgradnju složenih ugljikohidrata. Kao rezultat, nakupljaju se u stanicama i uzrokuju brojne patologije organa.
Мужчина решил принять участие в клиническом испытании нового метода — генной терапии. Это лишь первая фаза исследования, а всего до регистрации терапии (то есть до разрешения применять этот метод для всех больных с синдромом Хантера) их должно быть три.
Метод, который использовали в случае Брайана Мадо, позволяет редактировать геном прямо в теле человека — и при этом достаточно точно попадать в конкретный участок ДНК. Редактирование происходит с помощью так называемых «цинковых пальцев».
- Genetski modificirana djeca
Kineski istraživač He Jiankui uredio je genome ljudskih embrija prije oplodnje in vitro, što je rezultiralo dvoje djece s promijenjenom DNA.
Istraživač sustava CRISPR / Cas9je tijekom reproduktivnog liječenja uređivao genome embrija od sedam parova. Kao rezultat jedne od trudnoća, dvije blizanke s promijenjenom DNA rođene su od zdrave majke i oca zaražene HIV-om. Jiankui je objasnio da je djeci uklonio gen CCR5, što im je dalo doživotni imunitet na HIV.
- Povratak vida s genskom terapijom
Za obnavljanje vida mogu se koristiti optogenetske tehnologije uz pomoć kojih se može kontrolirati rad neurona uz pomoć svjetlosno osjetljivih proteina bakterija i laserskih bljeskova.
Vođeni ovom idejom, biolozi su stvorili virus,koji mogu prodrijeti u ganglijske neurone. Te su živčane stanice odgovorne za prijenos signala iz mrežnice u ljudski mozak. Kad jednom uđe u ganglijsku neurozu, virus uzrokuje da proizvodi slične signalne molekule. Međutim, ovaj postupak ne vraća vid sam po sebi jer proteini bakterija reagiraju na svjetlost drugačije od štapića i čunjeva mrežnice.
Da bi riješio ovaj problem, profesor u BaseluSveučilište Botond Rosca i profesor Sveučilišta u Pittsburghu José Sahel stvorili su posebne naočale koje dolaznu sliku pretvaraju u format razumljiv mozgu i stimuliraju stanice ganglija laserskim bljeskalicama. Kao rezultat toga, pacijent može vidjeti siluete velikih predmeta i predmeta i izvoditi druge složene radnje.
Čitaj više:
Znanstvenici su testirali teoriju panspermije na tardigradama: mogu putovati svemirom
Znanstvenici su otkrili da se super obogaćeno zlato stvara kao jogurt
Sićušni vodikov motor zamjenjuje fosilna goriva