科学研究における遺伝子工学の応用
- 遺伝子ノックアウト
特定の機能を研究するには
ノックアウトのために、同じ遺伝子またはその断片が合成され、生成物が主な実施方法は、ジンクフィンガー、モルフォリノ、TALENです。
ノックアウトマウスを取得するには、遺伝子操作された構築物は胚性幹細胞に導入され、そこで構築物は体細胞組換えを受けて正常な遺伝子と置き換わり、変更された細胞は代理母の胚盤胞に移植されます。ショウジョウバエでは、大規模な集団でショウジョウバエの突然変異が開始され、その後、目的の突然変異を持つ子孫が求められます。植物や微生物も同じようにノックアウトされます。
- 人工表現
ノックアウトへの論理的な追加は人工的な表現、つまり、以前にはなかった遺伝子を体に加える。この遺伝子工学技術は、遺伝子機能の研究にも使用できます。本質的に、追加の遺伝子を導入するプロセスはノックアウトの場合と同じですが、既存の遺伝子が置き換えられたり損傷したりすることはありません。
- 遺伝子産物の可視化
標識の1つの方法は、正常な遺伝子を、緑色蛍光タンパク質GFPの遺伝子などのレポーターエレメントと融合した遺伝子に置き換えることです。青色光で蛍光を発するこのタンパク質は、遺伝子組み換えの産物を視覚化するために使用されます。
このテクニックは便利で便利ですが、副作用があります。その結果、研究中のタンパク質の機能が部分的または完全に失われる可能性があります。それほど便利ではありませんが、より洗練された方法は、研究中のタンパク質に、特定の抗体を使用して検出できるほど大きくないオリゴペプチドを追加することです。
- 発現メカニズムの解明
このような実験では、遺伝子発現の条件を研究することが課題です。まず第一に、プロモーターと呼ばれるコード領域の前に位置するDNAの小さなセクション転写因子を結合する働きをします。
この部位は、後に置くことで体内に導入されます。独自のレポーター遺伝子の代わりに、例えば、容易に検出可能な反応を触媒する GFP または酵素。特定の組織でのプロモーターの機能が時々はっきりと見えるようになるという事実に加えて、そのような実験により、DNA フラグメントを除去または追加することによってプロモーターの構造を研究したり、その構造を人工的に強化したりすることができます。関数。
なぜ人間の遺伝子工学が必要なのか?
遺伝子工学を人間に適用すると、遺伝性疾患の治療に使用されます。ただし、技術的には、患者自身を治療することと彼の子孫のゲノムを変更することには大きな違いがあります。
この場合、卵胚だけでなく、すでに形成されている生物の多数の細胞のゲノムを変更する必要があるため、成体のゲノムを変更する作業は、新しい遺伝子組み換え動物品種の開発よりもやや困難です。これを行うには、ウイルス粒子をベクターとして使用することが提案されています。
ウイルス粒子は、成体細胞のかなりの割合に浸透し、その遺伝情報を埋め込むことができます。体内のウイルス粒子の制御された再生が可能です。同時に、副作用を減らすために、科学者は生殖器の細胞に遺伝子操作されたDNAの導入を避けようとし、それによって患者の将来の子孫への影響を回避します。
メディアでのこの技術に対する重大な批判も注目に値します。遺伝子操作されたウイルスの開発は、人類全体に対する脅威であると多くの人に認識されています。
遺伝子治療の助けを借りて、将来的にヒトゲノムを改変することが可能であり、現在、ヒトゲノムを改変するための効果的な方法が開発され、霊長類でテストされています。
長い間、サルの遺伝子工学は深刻な困難に直面していましたが、2009年に実験は成功しました:遺伝子操作されたウイルスベクターを使用して成体のオスのサルを治すことに成功したという論文がNature誌に掲載されました。同年、最初の遺伝子組み換え霊長類が誕生しました。 (改変卵から成長した)は一般的なマーモセット(コモンマーモセット）
小規模ではあるが、遺伝子工学はすでに特定の種類の不妊症を持つ女性に妊娠の機会を与えるために使用されます。これには健康な女性の卵子が使用されます。その結果、子供は 1 人の父親と 2 人の母親から遺伝子型を受け継ぎます。
ただし、より重要な導入の可能性ヒトゲノムの変化は、多くの深刻な倫理問題に直面しています。 2016年、アメリカの科学者グループは、CRISPR/Cas9技術を使って遺伝子組み換えした患者自身の免疫細胞を使った癌治療法の臨床試験の承認を受けました。
2018年末に中国で2人の子供が誕生し、HIVと戦うために2016年から実施されている研究の一環として、CRISPR/Cas9法を用いて胎児期にゲノムを人為的に変更（CCR5遺伝子をオフにする）した。声明によれば、両親の1人（父親）はHIVに感染していたが、子供たちは健康に生まれたという。
実験は無許可だったので（以前は）したがって、人間の胚に関するそのような実験はすべて、その後の実験材料の破壊を伴う、つまり、子宮への胚の移植と子供の誕生を伴わない、発育の初期段階でのみ許可されました）と責任のある科学者は述べました。ゲノム編集に関する国際会議で行われた彼の発言の証拠は提供していない。
2019 年 1 月末、中国当局はこの実験の事実を公式に確認しました。その間、科学者は科学活動に従事することを禁じられ、逮捕されました。
ヒトゲノムはどのように編集されているのですか?
- ジンクフィンガー法
構図には「ジンクフィンガー」も見られるヒトタンパク質。この方法のおかげで、DNA の特定のセクションを認識するように ZFN チェーンを設計することができます。これにより、複雑なゲノム内の特定の領域をターゲットにすることができます。
ジンクフィンガードメインは以下にあります。ヒト転写因子 - DNA テンプレートによる RNA 合成のプロセスを調節するタンパク質。人工ヌクレアーゼを作成する場合、DNA の特定の部分を認識できるように「ジンクフィンガー」の鎖を構築することが可能です。
そのようなチェーンが十分に長い場合、それは多くのトリプレット フラグメントからなる比較的伸長した DNA 配列を認識することができます。これは、大規模で複雑なゲノム内の特定の領域に的を絞った影響が及ぶ可能性があることを意味します。
しかし、「ジンクフィンガー」法でも明らかになった。重大な欠点: 第一に、これはトリヌクレオチド反復のあまり厳密な認識ではないため、「非標的」領域で顕著な数の DNA 切断が発生します。
第二に、この方法は非常に骨の折れるものであり、DNA 配列ごとに、ジンクフィンガー ヌクレアーゼの独自の最適化されたタンパク質構造を作成する必要があるため、高価です。したがって、システム「ジンクフィンガー」は普及していません。
- タレン
2011 年、Nature Methods 誌はこのシステムに名前を付けました。TALEN (Transcription Activator-like Effector Nucleases) は、基礎科学および応用科学のさまざまな分野で幅広い応用が可能であるため、「今年のメソッド」に選ばれました。
TALEN は、対象とするアプリケーションの方法の 1 つです。その後の「癒やし」によるDNAの破壊 - マウスの遺伝子をオフにするそれらの直後に、この技術はマウスのゲノムに突然変異を導入するために使用され、遺伝性症候群の1つの発症につながりました。遺伝的に決定された病気をモデル化する方法の著者は、マウスのゲノムを「台無し」にするだけでなく、それを元に戻すこともできました。
- CRISPR / Cas9
このメソッドは、特定の DNA 領域に正確な効果をもたらし、ほとんどすべての最新の分子生物学研究室で使用できます。
この制度は特別な地域に基づいています細菌の DNA - CRISPR (Clustered、Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats、または短いパリンドローム クラスター リピート)。これらの繰り返しは、スペーサー (外来 DNA の短い断片) によって分離されています。後者は、DNA がそのゲノムと再結合した後、ゲノムに組み込まれます。
人間による編集の例
- 体の中でゲノム編集
アリゾナ州在住の 44 歳のブライアンの病気マドは幼児期に現れました。不治の病で、主に男性に遺伝します。ムコ多糖症 II 型は代謝障害です。この疾患を持つ人は、複合糖質の分解に関与する酵素の産生を担う遺伝子に突然変異があります。その結果、それらは細胞に蓄積し、多くの臓器病変を引き起こします。
男性は臨床試験に参加することを決めた新しい方法である遺伝子治療をテストしています。これは研究の最初のフェーズにすぎず、治療法を登録する前（つまり、ハンター症候群のすべての患者にこの方法を使用する許可を得る前）には、そのうちの 3 つが必要です。
ブライアンの場合に使用された方法Mado を使用すると、人体内でゲノムを直接編集できると同時に、DNA の特定のセクションを正確にターゲットにすることができます。編集は、いわゆる「ジンクフィンガー」を使用して行われます。
- 遺伝子組み換え児
中国の研究者、賀建kuは、体外受精の前に人間の胚のゲノムを編集し、DNAが改変された2人の子供を生み出しました。
CRISPR / Cas9システム研究者生殖治療中に 7 組の胚のゲノムを編集しました。 1 件の妊娠の結果、DNA が変化した 2 人の双子の女の子が、健康な母親と HIV に感染した父親から生まれました。賀建ku氏は、子供たちから CCR5 遺伝子を取り除き、HIV に対する生涯の免疫を与えたと説明した。
- 遺伝子治療で視力回復
視覚を回復するために、光遺伝学的技術を使用することができ、その助けを借りて、細菌の光感受性タンパク質とレーザーフラッシュの助けを借りてニューロンの働きを制御することができます。
この考えに導かれて、生物学者はウイルスを作成し、神経節ニューロンを貫通できます。これらの神経細胞は、網膜から人間の脳に信号を伝達する役割を果たします。神経節神経症になると、ウイルスによって同様のシグナル伝達分子が生成されます。ただし、細菌のタンパク質は網膜の rod rod rod体や錐体とは異なる方法で光に反応するため、この手順だけでは視力は回復しません。
この問題を解決するために、バーゼル教授はボトン・ロスカ大学とピッツバーグ大学のホセ・サヘル教授は、入ってくる画像を脳が理解できる形式に変換し、レーザーフラッシュで神経節細胞を刺激する特別なメガネを作成しました。その結果、患者は大きな物体や物体のシルエットを見ることができ、他の複雑な動作を行うことができます。
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