Трансгенные животные

Положительные результаты были получены и в ходе экспериментов с трансгенными свинья­ми. Например, были созданы здоровые транс­генные свиньи, в геноме которых присутствова­ла следующая генетическая конструкция: регуляторная область гена β-глобина человека, два гена α1-глобина человека и один ген βА-глобина человека. В результате ее экспрессии в клетках крови свиней синтезировался человеческий гемоглобин, при этом в результате замены человеческого промотора гена β-глобина сви­ным человеческий гемоглобин синтезировался в значительно большем количестве. Человече­ский гемоглобин, продуцируемый трансгенны­ми свиньями, обладал такими же химическими свойствами, что и природный человеческий. Его можно было очистить от гемоглобина свиней обычной хроматографией.

Эти результаты указывают на принципиаль­ную возможность замены цельной крови, ис­пользуемой при трансфузии, человеческим ге­моглобином, полученным методом трансгеноза. Однако изолированный гемоглобин переносит кислород не так эффективно, как гемоглобин в составе эритроцитов. Более того, он быстро раз­рушается в организме животного, которому был введен, а продукты его распада токсичны для почек. Таким образом, получение заменителя человеческой крови с помощью трансгеноза - это дело далекого будущего.

В последнее время большое внимание уделя­ется вопросу об использовании органов живот­ных для трансплантации человеку. Основная проблема межвидовой трансплантации — это ги­перострое отторжение. Гиперострое отторжение влечет за собой связывание антител организма-хозяина с углеводной антигенной детерминантой на поверхности клеток пересаженного орга­на. Связавшиеся антитела вызывают острую воспалительную реакцию (активацию каскада комплемента), происходит массовая гибель несущих антитела клеток и быстрая потеря переса­женного органа.

В естественных условиях воспалительная ре­акция блокируется особыми белками на поверх­ности клеток, выстилающих стенки кровенос­ных сосудов. Эти белки — ингибиторы комплемента видоспецифичны. Было высказа­но предположение, что если бы животное-донор несло один или несколько генов человеческого белка, ингибирующего комплемент, то переса­женный орган был бы защищен от первичной воспалительной реакции. С этой целью были получены трансгенные свиньи, несущие различ­ные человеческие гены ингибитора комплемен­та. Клетки одного из этих животных оказались совершенно нечувствительными к компонентам системы каскада комплемента. Предварительные эксперименты по пересадке органов транс­генных свиней приматам показали, что ткани пересаженного органа повреждаются слабее, а сам орган не отторгается немного дольше. Воз­можно, трансгенные свиньи, несущие человече­ский ген ингибитора комплемента и лишенные основного поверхностного белка клеток свиней, который вызывает острейшее отторжение, будут служить источником органов для транспланта­ции человеку.

Трансгенные птицы

Микроинъекция ДНК в оплодотворенные яйце­клетки птиц с целью получения трансгенных линий — непростая процедура. Это связано с не­которыми особенностями воспроизводства и развития птиц. Так, при оплодотворении у птиц в яйцеклетку могут проникнуть сразу несколько сперматозоидов, а не один, как это обычно бы­вает у млекопитающих, и идентифицировать тот мужской пронуклеус, который соединится с женским, становится невозможно. Метод микроинъекции ДНК в цитоплазму тоже не подхо­дит, поскольку в этом случае ДНК не интегри­руется в геном оплодотворенной яйцеклетки. Наконец, даже если удастся осуществить микро­инъекцию ДНК в ядро, дальнейшие операции будет трудно осуществить, поскольку у птиц яй­цеклетка после оплодотворения достаточно бы­стро обволакивается прочной мембраной, по­крывается слоем альбумина и внутренней и наружной известковыми оболочками.

Однако трансген можно вводить в область желтка (зародышевый диск), который содержит и женский, и мужской пронуклеусы и образует­ся раньше, чем скорлупа. После введения ДНК каждую яйцеклетку культивируют in vitro, и ко­гда образуется зародыш, его помещают в сурро­гатное яйцо, чтобы имитировать вылупление. При помощи такой стратегии была получена од­на линия трансгенных цыплят. Однако в насто­ящее время этот метод неэффективен и техниче­ски трудновыполним в обычных условиях.

К тому времени, когда наружная известковая оболочка яйцеклетки птиц затвердевает, заро­дыш, находящийся на стадии бластодермы, со­стоит из двух слоев по 40 000 и 80 000 клеток. Проведены эксперименты по инокуляции такого зародыша ретровирусными векторами с нару­шенной репликацией, несущими бактериальные маркерные гены. В результате были получены трансгенные цыплята и обыкновенные перепела, несущие чужеродные гены в клетках зародыше­вой линии. Обычно такие птицы не продуцируют свободных вирусных частиц, и тем не менее при­менение ретровирусных векторов в качестве «по­ставщиков» чужеродных генов животным, кото­рые затем могут использоваться в пищу, неизбежно вызывает вопросы относительно без­опасности такого подхода. Кроме того, размер трансгена, который может быть введен в орга­низм реципиента в составе ретровирусного век­тора, не превышает ~8 т. п. н., а в некоторых слу­чаях интеграция в исходный сайт нестабильна. Все это заставило исследователей искать альтер­нативные способы трансгеноза.

Никаких специфичных для птиц ЕS-клеток не обнаружено, поэтому подход, основанный на их использовании, для птиц неприменим. Более перспективным представляется метод с исполь­зованием рекомбинантных эмбриональных кле­ток. Он состоит в следующем. Выделяют клетки бластодермы из куриного эмбриона, трансфицируют их с помощью катионных липидов (липо-сом), связанных с трансгенной ДНК (липосомная трансфекция), и повторно вводят в подзародышевую область свежеотложенных яиц (рис. 11). Часть потомков будет нести в каком-то неболь­шом количестве клетки донора: таких животных называют химерами. У некоторых химер клетки, произошедшие от трансфицированных клеток, могут образовывать линии зародышевых клеток, и после нескольких раундов скрещиваний таких химер можно получить линии трансгенных жи­вотных. Чтобы увеличить вероятность создания химер, несущих чужеродные гены в клетках за­родышевой линии, число донорских клеток в химерах можно увеличить облучением эмбрио­нов реципиента перед введением в них трансфи­цированных клеток (540-660 рад в течение 1 ч). Под действием облучения некоторые (но не все) клетки бластодермы погибнут, и соотношение между трансфицированными клетками и клет­ками реципиента увеличится в пользу первых. По-видимому, таким образом можно получать трансгенных цыплят, хотя и с малой эффектив­ностью.

Трансгенных цыплят можно использовать для улучшения генотипа уже существующих по­род — для придания им (in vivo) устойчивости к вирусным инфекциям и заболеваниям, вызыва­емым кокцидиями, повышения эффективности усвоения пищи, снижения уровня жира и холестерола в яйцах, повышения качества мяса. Бы­ло предложено также использовать яйцо с его высоким содержанием белка в качестве источ­ника белковых продуктов, использующихся в фармацевтической промышленности. Экспрес­сия трансгена в клетках репродуктивного пути курицы, где обычно секретируется большое ко­личество овальбумина, может способствовать накоплению соответствующего белкового про­дукта в яйце, откуда его можно затем выделить.

Рис. 11. Получение трансген­ных цыплят трансфекцией изоли­рованных клеток бластодермы. Выделенные клетки трансфицируют трансгеном с помощью липосом и вводят в подзародышевую область облученной бластодермы реципиента. Часть полученных потомков являются химерами, а некоторые из них, несущие трансген в клетках зародышевой линии, при скрещивании могут дать нача­ло трансгенным линиям.

Трансгенные рыбы

По мере истощения природных рыбных запасов все большую роль будет приобретать разведение рыбы в искусственных условиях. Основная цель исследований в этой области - создание рекомбинантных рыб путем трансгеноза. До настояще­го времени трансгены вводили микроинъекцией ДНК или электропорацией оплодотворенных яйцеклеток различных видов рыб — карпа, зу­батки, форели, лосося и т. д. Поскольку у рыб пронуклеус в оплодотворенной яйцеклетке пло­хо различим в обычный микроскоп, линеаризо­ванную трансгенную ДНК вводят в цитоплазму оплодотворенных яйцеклеток или клеток эмб­рионов, достигших стадии четырех бластомеров. Эмбриогенез у рыб протекает в водной среде вне организма, поэтому в имплантации нет необхо­димости. Все дальнейшие процессы могут про­текать в резервуарах с регулируемой температу­рой. Выживаемость эмбрионов рыб после микроинъекций довольно высока, от 35 до 80%, а доля трансгенных потомков колеблется от 10 до 70%. Трансген можно обнаружить с помо­щью ПЦР с использованием либо препаратов эритроцитов зародышей, либо суммарной ДНК. Скрещивая трансгенных рыб, можно вывести трансгенные линии.

Большинство первых исследований в этой области было направлено на исследование вли­яния трансгена гормона роста на скорость рос­та. В одном из экспериментов в яйцеклетки атлантического лосося был введен трансген, со­стоящий из следующих элементов: промотора гена антифризного белка американской бельдю­ги, кДНК гормона роста лосося, сигналов терминации/полиаденилирования 3'-конца гена антифризного белка американской бельдюги. Как правило, трансгенные лососи были крупнее и быстрее прибавляли в весе, чем контрольные нетрансформированные особи. В этом случае была выбрана система экспрессии с ускоренной транскрипцией гена гормона роста в холодной воде и пригодная для «всех рыб», что позволяло избежать биологической несовместимости, ко­торая могла бы возникнуть, если бы ген гормона роста происходил не из рыб. Годовалые транс­генные особи, полученные в результате введе­ния в яйцеклетки нерки генетической конструк­ции гормона роста, подходящей для «всех лососей», весили примерно в 11 раз больше, чем нетрансгенные. Физиологическая активность линий таких трансгенных лососей в естествен­ных условиях вызывает значительный интерес. Предполагается, что в будущем гены устойчиво­сти к болезням и стрессовым воздействием, а также гены, обуславливающие другие биологиче­ские особенности, будут введены как рыбам уме­ренных широт, так и тропическим рыбам.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Генетическая модификация животных при по­мощи технологии рекомбинантных ДНК (трансгеноза) основана на введении клониро­ванного гена(ов) в геном клетки, которая могла бы дать начало клеткам зародышевой линии. Скрещивая трансгенных потомков, появивших­ся в результате такой операции, можно получить гомозиготные линии трансгенных животных. Большинство исследований в этой области про­водилось на мышах. Обычно для этого вводили клонированный ген в оплодотворенную яйце­клетку мыши с помощью микроинъекции, им­плантировали ее в реципиентную самку и про­веряли потомство на наличие введенного гена. Чужеродный ген можно вводить в оплодотворен­ную яйцеклетку мыши и с помощью ретровирусного вектора. Альтернативный подход заключа­ется в выделении мышиных эмбриональных стволовых клеток и трансфекции их клонированным геном. При этом вводимая конструкция должна интегрироваться в геном стволовых клеток. Клетки, несущие ген-мишень в определенном хромосомном сайте, отбирают и культивируют, а затем вводят их в мышиные эмбрионы на ранних стадиях развития. Мышиные эмбриональные стволовые клетки плюрипотентны, т. е. могут дать начало клеткам любого типа, в том числе и клеткам зародышевой линии. Для трансгеноза используют также искусственные дрожжевые хромосомы (YAC), несущие множество генов. Таким образом были получены мыши, синтезирующие только человеческие антитела. Их использовали в качестве модельных систем для изучения генетических болезней человека (например, болезни Альцгеймера).

С помощью аналогичных экспериментальных подходов были получены трансгенные коровы, овцы, свиньи, птицы и рыбы. Есть надежда, что трансгеноз позволит улучшать генотип существующих пород домашнего скота и выводить породы животных с новыми признаками. Кроме того, возможно, таких домашних животных, как коровы, овцы и козы, удастся использовать в качестве своеобразных  «биологических фабрик» для получения продуктов клонированных генов, секретируемых в молоко.

Список использованной литературы

1. Молекулярная биотехнология. Принципы и применение. / Глик Б., Пастернак Дж. – М.: Мир, 2002. – 589 с., ил.

2. Современная генетика: В 3-х т. Т. 1. / Айала Ф., Кайгер Дж. – М.: Мир, 1987. – 295 с., ил.

                             3. Экспрессия генов. / Патрушев Л. И. – М.: Наука, 2000. – 830 с.

4. Гены: Пер. с англ. / Льюин Б. – М.: Мир, 1987. – 544 с., ил.

5. Сельскохозяйственная биотехнология. / Шевелуха В. С. – М.: Высшая школа, 2003. – 469 с.

1