Tillämpning av genteknik i vetenskaplig forskning
- Gen-knockout
Att studera funktionen hos en viss
För knockout syntetiseras samma gen eller ett fragment av den, vilket ändras så att produktenDe viktigaste metoderna för implementering är zinkfinger, morfolino och TALEN.
För att få knockout möss, erhållsDen genetiskt konstruerade konstruktionen introduceras i embryonala stamceller, där konstruktionen genomgår somatisk rekombination och ersätter den normala genen, och de förändrade cellerna implanteras i surrogatmors blastocyst. I fruktflugan initieras Drosophila-mutationer i en stor population, där avkommor med önskad mutation sedan söks. Växter och mikroorganismer slås ut på ett liknande sätt.
- Artificiellt uttryck
Ett logiskt tillskott till knockout ärartificiellt uttryck, det vill säga tillsatsen av en gen till kroppen som den inte hade tidigare. Denna genteknik kan också användas för att studera generens funktion. I grund och botten är processen att introducera ytterligare gener samma som för knockout, men befintliga gener ersätts inte eller skadas.
- Genproduktvisualisering
En metod för märkning är att ersätta en normal gen med en som är sammansmält med ett reporterelement, till exempel genen för det gröna fluorescerande proteinet GFP.Detta protein, som fluorescerar i blått ljus, används för att visualisera produkten av genetisk modifiering.
Även om denna teknik är praktisk och användbar, dess biverkningarkonsekvenserna kan vara delvis eller fullständig förlust av funktionen hos det protein som studeras. En mer sofistikerad, om än inte så bekväm metod, är att tillsätta proteinet som studeras inte så stora oligopeptider som kan detekteras med specifika antikroppar.
- Undersökning av uttrycksmekanismen
I sådana experiment är uppgiften att studera villkoren för genuttryck.Först och främst en liten del av DNA som ligger framför den kodande regionen, som kallas en promotoroch tjänar till att binda transkriptionsfaktorer.
Denna webbplats introduceras i kroppen genom att placera efteristället för sin egen reportergen, till exempel GFP eller ett enzym som katalyserar en lätt detekterbar reaktion. Förutom det faktum att promotorn fungerar i vissa vävnader vid någon tidpunkt blir tydligt märkbar, gör sådana experiment det möjligt att studera strukturen hos promotorn genom att ta bort eller lägga till DNA-fragment till den, såväl som att artificiellt förbättra dess funktioner.
Varför behövs human genteknik?
När det tillämpas på människor kan genteknikanvänds för att behandla ärftliga sjukdomar. Men tekniskt sett är det en signifikant skillnad mellan att behandla patienten själv och att ändra hans avkommas genom.
Uppgiften att ändra arvsmassan hos en vuxen individ är något svårare än att utveckla nya genetiskt modifierade djurraser, eftersom det i detta fall är nödvändigt att ändra arvsmassan hos många celler i en redan bildad organism, och inte bara ett äggembryo.För att göra detta föreslås det att använda viruspartiklar som vektor.
Viruspartiklar kan tränga in i en betydande andel av vuxna celler och bädda in deras ärftliga information i dem; Kontrollerad reproduktion av viruspartiklar i kroppen är möjlig.Samtidigt, för att minska biverkningarna, försöker forskare undvika införandet av genetiskt modifierat DNA i könsorganens celler och därigenom undvika påverkan på patientens framtida ättlingar.
Det är också värt att notera den betydande kritiken mot denna teknik i media: utvecklingen av genetiskt modifierade virus uppfattas av många som ett hot mot hela mänskligheten.
Med hjälp av genterapi är det möjligt att förändra den mänskliga arvsmassan i framtiden. För närvarande utvecklas och testas effektiva metoder för att förändra den mänskliga arvsmassan på primater.
Under lång tid stod genmodifiering av apor inför allvarliga svårigheter, men 2009 kröntes experimenten med framgång: en publikation dök upp i tidskriften Nature om den framgångsrika användningen av genetiskt modifierade virala vektorer för att bota en vuxen manlig apa frånSamma år födde den första genmodifierade primaten sina ungar. (odlad från ett modifierat ägg) är en vanlig silkesapa (Callithrix jacchus).
Även om det är i liten skala har genteknik redan gjort detanvänds för att ge kvinnor med vissa typer av infertilitet en chans att bli gravida. Ägg från en frisk kvinna används för detta. Som ett resultat ärver barnet genotypen från en far och två mammor.
Men möjligheten att införa mer betydelsefullaförändringar i det mänskliga genomet står inför ett antal allvarliga etiska problem. År 2016 fick en grupp forskare i USA godkännande för kliniska prövningar av en cancerbehandlingsmetod med patientens egna immunceller, som är genetiskt modifierade med hjälp av CRISPR / Cas9-teknik.
I slutet av 2018 föddes två barn i Kina,vars genom förändrades på konstgjord väg (CCR5-genen stängdes av) i embryonalstadiet med hjälp av CRISPR/Cas9-metoden, som en del av forskning som bedrivits sedan 2016 för att bekämpa HIV. En av föräldrarna (pappan) var hiv-positiv, och barnen, enligt uttalandet, föddes friska.
Eftersom experimentet var obehörigt (föreDärför tillåts alla sådana experiment på mänskliga embryon endast i de tidiga utvecklingsstadierna med efterföljande förstörelse av experimentmaterialet, det vill säga utan implantation av embryot i livmodern och födelsen av barn), gjorde forskaren som var ansvarig för det. inte ge bevis för hans uttalanden, som gjordes vid en internationell konferens om genomredigering.
I slutet av januari 2019 bekräftade de kinesiska myndigheterna officiellt fakta i detta experiment. Under tiden förbjöds forskaren att bedriva vetenskaplig verksamhet och han arresterades.
Hur redigeras det mänskliga genomet?
- Metod för zinkfingrar
"Zinkfingrar" finns i kompositionenhumana proteiner. Tack vare denna metod är det möjligt att utforma ZFN-kedjan så att den känner igen en specifik sektion av DNA. Detta gör det möjligt att rikta in sig på specifika områden inom komplexa genom.
Zinkfingerdomäner finns imänskliga transkriptionsfaktorer - proteiner som reglerar processen för RNA-syntes med DNA-mallen. När man skapar konstgjorda nukleaser är det möjligt att konstruera en kedja av "zinkfingrar" så att den känner igen en specifik del av DNA.
Om en sådan kedja är tillräckligt lång, såkan känna igen relativt utsträckta DNA-sekvenser bestående av ett antal trinukleotidfragment. Detta innebär en verklig möjlighet till riktad inverkan på specifika områden inom stora komplexa genom.
Men metoden "zinkfinger" avslöjade ocksåallvarliga nackdelar: för det första är detta inte ett särskilt strikt erkännande av trinukleotidupprepningar, vilket leder till ett märkbart antal DNA-klyvningar i "icke-mål"-regioner.
För det andra visade sig metoden vara mycket mödosam ochdyrt, eftersom det för varje DNA-sekvens är nödvändigt att skapa sin egen optimerade proteinstruktur av zinkfingernukleaser. Därför är systemet "zinkfingrar" inte utbrett.
- TALEN
År 2011 namngav tidskriften Nature Methods systemetTALEN (Transkriptionsaktivatorliknande effektornukleaser) "Årets metod" på grund av ett brett spektrum av möjliga applikationer inom olika områden av grundläggande och tillämpad vetenskap.
TALEN är en av metoderna för riktad applikationbryta i DNA med dess efterföljande "läkning" - för att stänga av gener hos möss. Omedelbart efter dem användes denna teknik för att introducera en mutation i musgenomet, vilket ledde till utvecklingen av ett av de ärftliga syndromen. Författarna till metoden för modellering av genetiskt bestämda sjukdomar lyckades inte bara "förstöra" musgenomet, utan också korrigera det.
- CRISPR / Cas9
Metoden ger en exakt effekt på specificerade DNA-regioner och kan användas i nästan alla moderna molekylärbiologiska laboratorier.
Detta system är baserat på speciella områdenbakteriellt DNA - CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats, or short palindromic cluster repeats). Dessa upprepningar separeras av distanser - korta fragment av främmande DNA. De senare införlivas i genomet efter att DNA har rekombinerats med dess genom.
Exempel på mänsklig redigering
- Genomredigering direkt i kroppen
Sjukdom hos den 44-årige Arizona bosatta BrianMado manifesterade sig i tidig barndom. Det är obotligt och ärvs huvudsakligen av män. Mukopolysackaridos typ II är en metabolisk störning: människor med den har en mutation i en gen som är ansvarig för produktionen av ett enzym som är involverat i nedbrytningen av komplexa kolhydrater. Som ett resultat ackumuleras de i celler och orsakar många organpatologier.
Mannen bestämde sig för att delta i klinikentestar en ny metod - genterapi. Detta är bara den första fasen av studien, och innan registrering av terapi (det vill säga innan tillstånd att använda denna metod för alla patienter med Hunters syndrom) måste det finnas tre av dem.
Metod som används i Brians fallMado låter dig redigera genomet direkt i människokroppen - och samtidigt noggrant rikta in en specifik del av DNA. Redigering sker med så kallade "zinkfingrar."
- Genmodifierade barn
Den kinesiska forskaren He Jiankui redigerade genomerna hos mänskliga embryon före in vitro-befruktning, vilket resulterade i två barn med förändrat DNA.
CRISPR / Cas9 systemforskareredigerade genomet av sju parembryon under reproduktiv behandling. Som ett resultat av en av graviditeterna föddes två tvillingtjejer med förändrat DNA från en frisk mamma och en HIV-infekterad far. Han Jiankui förklarade att han tog bort CCR5-genen från barn, vilket gav dem livslång immunitet mot HIV.
- Återvändande syn med genterapi
För att återställa synen kan optogenetisk teknik användas, med hjälp av vilket neuronernas arbete kan kontrolleras med hjälp av ljuskänsliga proteiner från bakterier och laserblixtar.
Baserat på denna idé har biologer skapat ett virus,som kan tränga igenom ganglioniska nervceller. Dessa nervceller är ansvariga för att överföra signaler från näthinnan till den mänskliga hjärnan. Ett virus som kommer in i ganglionisk neuros gör att det producerar liknande signalmolekyler. Denna procedur återställer dock inte synen i sig själv, eftersom proteinerna från bakterier reagerar på ljus annorlunda än näthinnans stavar och kottar.
För att lösa detta problem, Basel-professornBotond Rosca University och professor i University of Pittsburgh, José Sahel, har skapat speciella glasögon som förvandlar den inkommande bilden till ett format som är förståeligt för hjärnan och stimulerar ganglionceller med laserblixt. Som ett resultat kan patienten se silhuetter av stora föremål och föremål och utföra andra komplexa åtgärder.
Läs mer:
Forskare har testat teorin om panspermi vid tardigrader: de kan resa i rymden
Forskare har funnit att superberikat guld bildas som yoghurt
En liten vätgasmotor ersätter motsvarigheter för fossila bränslen