Контрольная работа по Основам биотехнологии Вариант 5 Направление подготовки
ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ТРАНСГЕННЫХ ЖИВОТНЫХ. ТРАНСГЕННЫЕ МЫШИ
жүктеу/скачать 172 Kb.
|
Контрольная работа Биотехнология Гущин Н.В. ЗОО 724з
| 109 ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ТРАНСГЕННЫХ ЖИВОТНЫХ. ТРАНСГЕННЫЕ МЫШИ
Трансгеноз – это перенос генов. Трансгенные животные – это животные, которые получены в результате переноса в их геном чужеродных генов от других видов животных или человека. Гены, которые используются для переноса, выделяют из определенного генома или синтезируют искусственно. В мировой практике уже получены трансгенные животные, продуцирующие с молоком целый ряд лекарственных веществ: - факторы свѐртываемости крови против гемофилии; - тканевой плазменно-генный активатор, применяемый при лечении венозных тромбов и поражении лѐгочной артерии; - человеческий белок С для предотвращения образования тромбов; - моноклональные антитела для лечения различных форм рака. Основные направления исследований для получения трансгенных животных: Создание новых пород с повышенным содержанием некоторых компонентов. Создание животных, которые способны синтезировать несвойственные их виду белки. (Например, свиньи, которые могут продуцировать интерферон человека). Создание трансгенных животных - доноров при трансплантации органов человека. [8] В нашей стране получены свиньи, несущие ген соматотропина. Они не отличались по темпам роста от нормальных животных, но изменение обмена веществ сказалось на содержании жира. У таких животных ингибировались процессы липогенеза и активировался синтез белка. К изменению обмена веществ приводило и встраивание генов инсулиноподобного фактора. Такие трансгенные свиньи были созданы для изучения цепочки биохимических превращений гормона, а побочным эффектом явилось укрепление иммунной системы. Самая мощная белоксинтезирующая система находится в клетках молочной железы. Если поставить гены чужих белков под контроль казеинового промотора, то экспрессия этих генов будет мощной и стабильной, а белок будет накапливаться в молоке (животное-ферментер). Уже получены трансгенные коровы, в молоке которых содержится человеческий белок лактоферрин. Этот белок планируют применять для профилактики гастроэнтерологических заболеваний у людей с низкой иммунорезистентностью. Это больные СПИДом, недоношенные младенцы, больные раком, прошедшие радиотерапию. Ведутся клинические испытания такого молока. Уже сейчас корпорация Genzyme Transgenics планирует исследования с целью создания трансгенного крупного рогатого скота, содержащего в молоке человеческий альбумин. Был куплен патент на получение эмбрионов, содержащих геном клеток соединительной ткани (фибробластов), включающий ген, ответственный за синтез человеческого белка. Подобная технология позволяет увеличить эффективность создания трансгенных молочных животных, так как при обычном впрыскивании генов в оплодотворенную яйцеклетку рождается от только 5 - 10% трансформированных животных, из них - несколько самцов, не дающих молока. Использование новой технологии клонирования позволяет получать животных только женского пола, дающих трансгенный протеин. Альбумин используется в терапии для поддержания осмотического давления в крови. Ежегодно в мире требуется около 440 тысяч литров плазмы крови для выделения этого белка (стоимость около 1,5 млрд. $). Каждая молочная корова может произвести 80 кг рекомбинантного человеческого альбумина ежегодно. Genzyme Transgenics занимается разработкой аналогичных методов получения человеческого гормона роста и β-интерферона. В Англии созданы трансгенные овцы, молоко которых содержит фактор свертывания крови. В нашей стране были попытки создать овец, продуцирующих химозин (фермент для сыроварения). Было получено 2 овцы, у одной – ген не экспрессировался, у второй содержание химозина достигало 300 мг/л. Однако потомство этой овцы давало низкие удои – порядка 50 кг за период лактации. Причина заключалась в том, что химозин вырабатывается в виде предшественника – прохимозина, который превращается в активный фермент при рН=5. Было запланировано получать именно прохимозин, но в каких-то участках вымени происходило снижение рН, что приводило к активации химозина непосредственно в организме. Активный химозин свертывал молоко, а оно закупоривало протоки вымени. Сейчас пытаются решить эту проблему. В Подмосковье получены кролики, выделяющие γ-интерферон, эритропоэтин, но кролики не являются традиционными продуцентами молока. Эксперименты же по трансформации сельскохозяйственных животных очень дорогостоящи – одно трансгенное животное стоит десятки и сотни тысяч долларов. Трансгенных животных получают и для целей ксенотрансплантации. Одним из излюбленных доноров органов являются свиньи, так как имеется анатомическое сходство органов и сходство иммунологических свойств. Реакции отторжения при трансплантации имеют сложный механизм. Одним из сигналов для атаки организма на чужой орган являются белки, локализованные на внешней поверхности мембраны. У трансгенных свиней эти белки заменены на человеческие. Еще одно направление трансгеноза – получение устойчивых к болезням животных. Животноводство держится на вакцинах, так как селекция ведется преимущественно на хозяйственно ценные признаки – шерстистость, молочность и т. д. Повышение устойчивости – дело генных инженеров. К защитным белкам относятся интерфероны, поэтому ген интерферона встраивали различным животным. Трансгенные мыши получили устойчивость, они не болели или болели мало, а вот у свиней такого эффекта не обнаружено. Другое направление – введение генов, кодирующих антисмысловую РНК. Для животноводства острой проблемой являются лейкозы, вызываемые РНК-вирусами. Трансгенные кролики, несущие гены, отвечающие за присутствие в клетке антисмысловой РНК, были устойчивы к лейкозам. Трансгенных животных можно использовать для изучения наследственных заболеваний мозга и нервной системы. Гены болезни Альцгеймера (отложение белка β-амилоида приводит к образованию характерных бляшек) и гены, отвечающие за развитие эпилепсии, болезней мозга вводятся в геном нормальных животных; при этом получают трансгенных животных-моделей, на которых можно испытывать различные терапевтические приемы. Трансгенных животных стали использовать для исследования воспалительных и иммунологических заболеваний человека, например, ревматоидного артрита. Моделируются болезни, связанные с липидным обменом. [9] В начале 80-х годов группа ученых США и Швеции впервые получила мышей-великанов. Это был результат введения гена гормона роста крысы в оплодотворенные яйцеклетки мыши. И выросшая из этого зародыша мышь-великан оказалась почти в два раза больше обычной. Но главный результат опыта заключался в том, что трансгенная мышь росла в два раза быстрее, чем обычная. Вы можете спросить: зачем нам ускорять рост мышей? Вот если бы куры или коровы росли в короткий срок, то это было бы более полезным для людей. Действительно, неплохо было бы научиться разводить в сокращенный срок полезных для человека птиц и животных. И эта возможность теперь в перспективе имеется. Более того, уже есть и первые успехи в получении трансгенных животных — таких, как корова, овца и свинья, хотя эти работы пока очень дороги. Каким же образом удалось ученым ускорить рост мышей? Одним из основных стимуляторов роста и деления клеток у животных и человека является гормон роста. Образуется он обычно в гипофизе. Ученые решили проверить, как будет вести себя чужеродный гормон роста в организме мыши. Структурный ген этого гормона ввели в яйцеклетку. Получили потомство, и оказалось, что гормон крысы вырабатывался в сердце, почках, печени и кишечнике, но не в гипофизе. При этом количество гормона в крови повышалось в несколько сотен раз по сравнению с нормальными мышами. Очевидно, поэтому некоторые мыши и вырастали великанами. Такие же манипуляции были проделаны с более отдаленным родственником — геном гормона роста человека. Мыши и в этом случае росли ускоренно. Более того, обнаружился удивительный факт: несмотря на то, что гормон роста человека содержит почти в три раза больше аминокислот, чем гормон роста крысы, это не влияло на усиленный рост мышей — оба гормона действовали с равной силой. [10] Получены мыши с генами гормона роста крысы, ген вводился в виде раствора и состоял из 353 нуклеотидов, вектором была рекомбинантная плазмида. В результате был получен 21 потомок, у 7 мышей был обнаружен чужеродный ген, живая масса их была в 1,8 раза больше, чем обычных. Также получены трансгенные овцы, кролики, коровы и свиньи, путем введения гена гормона роста человека. В России создано стадо трансгенных овец с генами крупного рогатого скота, которые продуцируют с молоком химозин крупного рогатого скота. Это фермент, который применяется при производстве твердого сыра. Обычно его получали из экстракта ткани желудка новорожденных телят. [8] Еще в начале нашего века эмбриологи экспериментаторы пытались выяснить это с помощью микроманипуляций, разрушая некоторые эмбриональные клетки гонкими иглами или пересаживая участки ткани от одного раннего эмбриона другому. Подобные методы сохранили свое значение и поныне при изучении пространственной организации клеток, обусловливающей возникновение отдельных органов или тканей. Однако эти методы, как и обычные биохимические методы с использованием очищенных молекул в пробирке, не позволяют сделать прямых выводов относительно молекулярных основ регуляции работы генов, Для решения проблемы дифференцировки ученые часто используют культуры клеток и тканей. Но ответ на вопрос, какие молекулярные механизмы заставляют клетки дифференцироваться, и на этой модели не получен. Ее недостаток состоит в том, что культивируемые клетки изолированы от организма. У них нет контакта с клетками других тканей, а такой контакт (взаимодействие клеток, обмен сигналами) необходим, ибо он индуцирует дифференцировку и эмбриональное развитие. Вывод напрашивается сам: изучать молекулярные механизмы дифференцировки клеток и раннего эмбрионального развития надо на живом организме. Именно поэтому большие надежды возлагаются на живые модели — трансгенных животных. В последние годы ученым удалось выявить некоторые гены-регуляторы, которые принимают участие в реализации программы развития организма. Их называют хроногенами, так как, по мнению ученых, они играют основную роль в определении момента начала дифференцирован клеток данного организма. Наиболее интересные наблюдения были получены при изучении генов, контролирующих пространственную организацию эмбриона плодовой мушки дрозофилы. Оказалось, что многие гены содержат один и тот же сегмент ДНК, названный гомеобоксом, и все они обладают способностью регулировать активность групп других генов. Заметим, что в настоящее время гомеобокс выделен из ДНК многих организмов — от червей до человека. Нельзя умолчать об онкогенах, которые обнаружены в нормальных клетках большинства организмов (от дрожжей до млекопитающих). Ученые предполагают, что онкогены не только порождают опухоли, но и участвуют в дифференцировке эмбриональных клеток. Основанием такого предположения послужили некоторые факты. Так, например, было выяснено, что для поддержания роста и деления клеток раннего эмбриона необходимы факторы роста. Но у раннего эмбриона еще нет тканей, способных вырабатывать эти факторы, поэтому можно думать, что каждая клетка раннего эмбриона производит их для самой себя и, возможно, для своего ближайшего окружения. Факторы роста представляют собой белки, кодирующиеся генами. Недавно стало известно, что один из факторов роста кодирует онкоген СИС. Отсюда напрашивается заключение, что онкогены участвуют в раннем развитии эмбриона. Итак, ученые имеют сейчас в своем «хозяйстве» ряд замечательных последовательностей ДНК в виде хроногенов, сегмента гомеобокса и онкогенов, которые причастны к дифференцировке клеток в эмбриональном развитии. Их можно вводить в геном будущих трансгенных животных и изучать их действие во время роста ранних эмбрионов. По-видимому, это дает ключ, который позволит проникнуть в тайны молекулярных механизмов развития высших животных. Кроме того, введение изолированного онкогена в геном здорового животного дает и другую возможность — изучать отдельно стадии образования опухолей и наследственную предрасположенность к их возникновению. Иными словами, создавать модели течения опухолевых заболеваний. Ведь механизм их образования — процесс очень сложный, многоступенчатый и включает много событий в клетке и организме. Понятно, что для того чтобы разобраться в нем, нужно вычленить отдельные его ступени. Многих ступеней мы еще не знаем. Живая модель — трансгенные животные открывают здесь небывалые перспективы. Поиск механизмов образования опухолей уже ведется и вселяет надежды на успех. Создание экспериментальных моделей течения болезней открывает новые направления и перед практической медициной, в частности лечением наследственных заболеваний. В настоящее время насчитывается около трех тысяч наследственных заболеваний. Некоторые из них могут быть следствием нарушения сложных регуляторных систем организма. Большинство же связано с нехваткой ферментов. В качестве примера можно назвать фенилкетонурию, врожденную непереносимость лактозы, подагру, гемолитическую анемию и многие другие. Терапия таких заболеваний, казалось бы, проста — ввел в организм недостающий фермент и жди улучшения. Однако действует фермент недолго, и приходится делать больному систематические инъекции. Можно использовать ограничение пищевого рациона, чтобы снизить в организме концентрацию вредных веществ. Эти способы довольно успешно используются, но справедливости ради следует сказать, что излечение редко бывает полным. Поэтому в повестку дня встала так называемая генная терапии, то есть методы введения в больные клетки недостающего гена или замены дефектного гена нормальным. Дело это оказалось непростым. Прежде всего необходимо иметь нормальный ген. Сейчас их уже научились получать. Для доставки нормального гена в дефектные клетки требуется «повозка». В этой роли ученые решили использовать вирусы. Хотя эта идея не нова, она до последних нескольких лет оставалась нереализованной. Наиболее пригодными оказались опухолевые вирусы, геном которых состоит из РНК (ретровирусы). Эти вирусы отличаются тем, что не убивают клетки подобно другим вирусам. С помощью генной инженерии нужно было превратить исходный вирус в вирус-повозку, функция которого заключалась бы только в доставке нужного гена в клетку и встраивании его в клеточные хромосомы. Молекулярные биологи из Массачусетского технологического института (США) сконструировали такой вирус. Затем «нагрузили» его бактериальным геном устойчивости к антибиотику и ввели эту нагруженную повозку в кроветворные клетки костного мозга мыши. Анализ показал, что все типы клеток крови экспериментальной мыши приобрели этот перенесенный бактериальный ген. Теоретически этот метод уже можно применить к генотерапии наследственных заболеваний крови людей. Однако технические проблемы, связанные с регулированием работы перенесенных генов, не позволяют пока это делать. Исследования продолжаются. Другой способ генотерапии связан с половыми клетками. Группа исследователей использовала его совсем недавно. В качестве объекта они взяли карликовую мышь, которая может служить моделью наследственного заболевания человека. У такой мыши отставание в росте заметно с пятидневного возраста, а взрослые животные достигают приблизительно половины нормальной мыши. Поскольку введение гена гормона роста восстанавливало рост, то ученые решили исправить карликовость с помощью генной терапии. Сначала они вводили в яйцеклетку карликовой мыши чистые гены гормона роста крысы или человека. Рост не восстанавливался. Когда же они ввели в яйцеклетку дополнительно ген-регулятор, то карликовая мышь вырастала до нормальной. Казалось бы, такой успех можно перенести на лечение подобного заболевания у людей. Но придется разочаровать читателей: делать этого пока нельзя. Причин несколько. Одна из них связана с низкой эффективностью техники гемотерапии. Во-первых, только один процент яйцеклеток с введенным чужим геном развивается в мышь, у которой усилено действие гормона роста. Во-вторых, пока практически невозможно предвидеть, в какое место встроится чужеродная молекула ДНК, и потому-то невозможно гарантированно заменить поврежденный ген нормальным. Более того, вводимый ген может попасть «не туда» и разрушить какой-нибудь нормальный ген, то есть даст результат, обратный желаемому. Таким образом, эти примеры показывают, что использовать предлагаемые способы для лечения больных людей еще невозможно. Чтобы вмешиваться в наследственность человека, по крайней мере необходимо знать полностью генотип человека. Наука пока далека от этого. Однако первые успехи на этом пути, хотя и очень малые, воодушевляют ученых на дальнейшие поиски. Наконец, еще одна область возможного использования трансгенных животных — это повышение количества и качества продукции сельскохозяйственных животных. Так, сам по себе ускоренный рост трансгенных животных, видимо, позволяет увеличить выход мяса. Но, кроме того, есть ведь и возможность (пока теоретическая, конечно) ввести, скажем, в корову ген необходимого продукта и заставить его работать в молочных железах, а продукты гена выделять потом из молока. Со временем люди научатся получать таким образом лекарственные препараты — интерферон, инсулин, гормон роста и другие нужные вещества. Словом, сельскохозяйственные животные смогут нести те или иные конструкции генов и превратятся в живые фабрики биологически и химически важных пептидов и белков. Все это звучит сейчас слишком фантастично, однако фантазия нередко переходит в реальность. И кто знает, может быть, для людей будущего станут обычными названия специализированных хозяйств — например, совхоз «сахарных» коров, то есть трансгенных коров, молоко которых содержит большое количество сахара. С другой стороны, техника получения трансгенных животных, видимо, может помочь быстрее переносить полезные свойства одной породы к другой, то есть ускорить выведение новых высокопродуктивных пород животных. Это откроет невиданные горизонты перед сельскохозяйственной генетикой и селекцией. Как видим, можно констатировать, что биология вступила в период реального воплощения заветной мечты человечества— направленного изменения высших организмов. Не за горами будущее — конструирование геномов животных и растений. [10] жүктеу/скачать 172 Kb. Достарыңызбен бөлісу:
|