Знаете, как скрестить мышь с медузой? Или, может быть, хотите научиться собирать конструктор из вируса, человека и быка? В нашем курсе мы расскажем вам о том, какие «пазлы» уже умеют складывать учёные и как трансгенные технологии влияют на нашу жизнь. ГМО — эти три буквы держат в страхе весь мир. Сегодня больше 80% россиян боятся генетически модифицированных организмов, не подозревая о том, что их собственные организмы в своё время уже подверглись генетической модификации. На протяжении миллионов лет вирусы, первые «генные инженеры», успешно меняли геном человека, и каждый из нас на целых 8% вирус. Из нашего курса вы узнаете, что же такое ГМО и зачем человек создал технологии трансгенеза, как работает трансгенная конструкция и какими способами её можно доставить в клетку. Мы познакомим вас с новейшими системами редактирования генома, расскажем о том, как трансгенные животные помогают исследователям в борьбе с наследственными заболеваниями и старением. Вы собственными глазами увидите светящихся рыбок и мышей и побываете в лаборатории, где из опаснейших вирусов делают безопасные для того, чтобы они служили на пользу человечеству. Добро пожаловать на курс «ГМО: технологии создания и применение». Мы научим вас делать из мухи слона!
3.4. Нокаут генов
Loading...
Из курса от партнера Novosibirsk State University
ГМО: технологии создания и применение
190 оценки
Из урока
Трансгенные животные в научных исследованиях
Этот модуль посвящён науке. Мы расскажем, какие фантастические возможности предоставляют трансгенные животные для исследования самых разных вопросов биологии: от моделирования заболеваний человека и выяснения функции отдельных генов до борьбы со старением. Самые невероятные и красивые примеры генетически модифицированных организмов ждут вас в этой части курса.
Познакомьтесь с преподавателями
Алексей Мензоровкандидат биологических наук, старший преподаватель
Кафедра цитологии и генетики факультета естественных наук НГУ
Нариман Баттулинкандидат биологических наук, старший преподаватель
Кафедра цитологии и генетики факультета естественных наук НГУ
Вениамин Фишманкандидат биологических наук, преподаватель
Кафедра молекулярной биологии факультета естественных наук НГУ
[МУЗЫКА] [МУЗЫКА]
Давайте продолжим знакомиться
с тем, как трансгенные животные используются в научных исследованиях.
Тема сегодняшней лекции — генный нокаут.
Я думаю, что нокаут — термин знакомый, боксерский.
Это ситуация, в которой один мощный удар отправляет противника на лопатки.
Что-то похожее происходит и с генами.
Если исследователь внесет такие изменения в структуру гена, что ген не сможет
выполнять свою функцию, в таком случае говорят, что ген нокаутирован.
И для начала давайте разберем вопрос, как производится интеграция
трансгенной конструкции в случае, если необходимо произвести генный нокаут.
В этом случае вам необходимо внедрить в геном трансгенную конструкцию
именно в то место, где располагается ваш ген интереса.
Для этого трансгенная конструкция должна состоять из нескольких элементов.
Во-первых, обязательно должны присутствовать
плечи гомологичной рекомбинации, те участки,
которые направят трансгенную конструкцию в нужное место в геноме, а вот полезная
нагрузка такой трансгенной конструкции может быть уже совершенно произвольной,
поскольку основная задача — разрушить ген, поэтому можно вставить практически
любую последовательность, не связанную с работой гена.
Часто в качестве такой полезной нагрузки выступают гены устойчивости к
антибиотикам, поскольку они позволяют отбирать те клоны клеток,
в которых успешно произошла интеграция
трансгенной конструкции по механизму гомологичной рекомбинации.
Когда я рассказывал вам о том,
каким образом происходит эксперимент по гомологичной рекомбинации,
я рассказывал, что отбор таких клеток — это одна из сложных задач.
Ее реализуют с помощью устойчивости к какому-нибудь антибиотику,
в данном случае это антибиотик неомицин.
Для того чтобы нарушить функцию гена, необходимо как-то нарушить его структуру,
и обычно это достигается путем замены каких-нибудь ключевых элементов в гене.
Например, это могут быть экзоны гена,
которые кодируют какие-то важные элементы в белке.
Если эти элементы удалить, то понятно,
что белок получится нефункциональным, неполноценным, и это приведет к тому,
что ген не сможет выполнять свою функцию, а значит он будет нокаутирован.
После того как вы получили клон клеток с успешной
интеграцией по механизму гомологичной рекомбинации трансгенной конструкции,
можно такие эмбриональные стволовые клетки инъецировать в полость бластоцисты,
получить химерное животное и дальше из такого химерного животного получить уже
взрослое животное, у которого будут все гены нормальные,
как обычные, а лишь один ген выбит, то есть нокаутирован.
Таким образом можно изучать функцию отдельных генов.
Дальше в лекции я хочу вам привести несколько конкретных примеров,
к каким последствиям может приводить нокаут по отдельным генам.
И первый пример связан с нокаутом по гену миостатина.
Я уже упоминал этот ген в лекциях: продукт этого гена, миостатин,
негативный регулятор роста мышц.
Поэтому как только ген исчезает из генома, мышцы выходят из-под
негативного воздействия этого продукта и начинают расти усиленно,
то есть появляется такой очень фенотип, ярко выраженный, у мыши в данном случае,
очень большая мышечная масса по сравнению с контрольным животным.
Но в данном конкретном случае это двойное трансгенное животное,
поскольку помимо нокаута по гену миостатина, в данном
случае исследователи ввели в геном дополнительную копию гена фоллистатина.
Фоллистатин — это белок, который теперь уже позитивно
регулирует рост клеток, мышечной ткани в том числе.
То есть такие животные получили дополнительную стимуляцию роста мышц,
и у них этот фенотип «качка» выражен еще более ярко.
Таким образом, на такой модели мышки можно изучать функцию
генов миостатина и фоллистатина.
Следующий пример связан с исследованиями роли генов в энергетическом
обмене в организме.
В данном конкретном случае вы видите результат нокаута по гену лептина.
Лептин — это пептидный гормон,
который регулирует энергетический обмен в организме.
Интересно, что название лептин происходит от греческого leptos, то есть тонкий.
Его также называют, этот гормон, гормоном удовлетворения,
поскольку он выделяется в ответ на насыщение организма — выделяется лептин,
соответственно, пропадает голод.
В том случае, если лептин нокаутирован, в организме не вырабатывается лептин,
и такой организм не может насытиться, не может получить удовлетворение от
насыщения, поэтому нарушается пищевое поведение,
неконтролируемое поедание все большего количества еды приводит к ожирению.
И такие мышки с нокаутом по гену лептина являются замечательной моделью в
исследованиях процесса ожирения.
Сейчас для современного общества это достаточно важная проблема,
и ученые исследуют, каким образом можно помочь в решении этой проблемы
как раз вот с помощью животных моделей путем, скажем,
нокаута гена лептина или нокаута по гену рецептора лептина,
еще одного белка, который является эффектором гормона лептина,
он воспринимает присутствие лептина в крови организма.
Таким образом, если нарушить лептин или рецептор лептина,
у организма такого развивается ожирение.
Следующий пример связан с нокаутом по гену FOXN1.
Очень неказистое животное, но на самом деле это одна из рабочих
лошадок биологии, это мышки с мутацией, с фенотипом nude.
Вы видите, что у них очень ярко выраженная такая особенность
их внешнего вида — отсутствие волос, но на самом деле основное свойство,
за которое их используют в биологических исследованиях, это нарушение иммунитета.
Дело в том, что FOXN1 является важным геном,
который важен при развитии вилочковой железы, тимуса,
а тимус является тем местом, где созревают клетки иммунной системы, именно те клетки,
которые отвечают за систему «свой-чужой» в организме.
Поэтому без тимуса такие мышки, у них не развиваются те клетки
иммунной системы, которые отторгают приживленные клетки,
чужие клетки, поэтому можно подсаживать этим мышкам с
мутацией nude любые клетки других мышей или даже человека.
Поэтому если исследуются какие-то особенности клеток человека,
например, которые можно исследовать только в организме животного,
то обычно такие клетки подсаживают именно мышам с мутацией nude.
Еще один очень интересный пример связан с нокаутом по гену P21.
Этот ген является одним из регуляторов пролиферации, то есть делений клеточных,
и при нокауте по этому гену у мышей таких повышена эффективность регенерации.
На этой схеме я попытался изобразить, как выглядит вот этот процесс регенерации.
Если у обычных мышей проколоть ухо, сделать отверстие в ухе,
то через несколько недель это отверстие практически никак не зарастет,
тогда как у мышей, нокаутных по гену P21,
через несколько недель это отверстие практически полностью зарастает.
Не стоит думать, что ген P21 является вот таким злобным геном,
который не дает организму млекопитающих активно
регенерировать и восстанавливать утраченные конечности.
На самом деле у многих генов эффект потери гена очень может быть разрозненный,
сказываться сразу для нескольких процессов,
то есть P21 позитивно сказывается на процесс регенерации,
но он может негативно сказываться, скажем, на образовании опухолей в организме.
И, безусловно, у него есть и негативные последствия, поэтому не стоит думать,
что если, скажем, у человека вырубить ген P21, мы сможем отлично регенерировать.
На самом деле такое исследование является лишь маленьким шажочком
в долгом пути понимания того, как можно настроить уже существующую
систему регенерации у человека так, чтобы она работала более эффективно.
Но это все далекое будущее.
Такие яркие, выраженные эффекты от
потери функций какого-либо гена на самом деле проявляются далеко не всегда.
Бывает так, что нокаут гена вообще не приводит к какому-то выраженному фенотипу,
то есть вообще никаких последствий, поскольку в таком случае часть функций
утраченного гена могут на себя взять другие гены,
которые есть в геноме организма.
Бывают еще более сложные ситуации,
когда эффект нокаута гена проявляется только в каких-то особенных ситуациях.
То есть в норме все нормально,
но в каких-то особенных ситуациях эффект проявляется.
Я нашел один довольно интересный пример такой ситуации.
Это нокаут по гену глюкоза-6-фосфатдегидрогеназы.
У человека описаны такие ситуации, когда этого гена или нет,
или сильно нарушена его функция, и в принципе это может никак
не проявляться на здоровье и жизни такого человека.
Однако в каких-то особенных ситуациях, например,
в случае если человек съест обычные бобы,
это может привести к лизису красных кровяных телец в организме,
поскольку бобы, обычные бобы, содержат алкалоиды,
которые провоцируют вот такой лизис красных кровяных телец,
и это может даже приводить к смерти таких людей.
И это очень хороший пример того, что довольно сложно заранее предсказать,
какие последствия будет иметь нокаут того или иного гена.
Более того, нокауты некоторых генов вообще никак не совместимы с жизнью, то есть
полностью летальны, и таких генов на самом деле около 15 % в геноме млекопитающих.
О том, как исследовать функцию таких генов, как их нокаутировать,
я расскажу в следующей лекции.
Ознакомьтесь с нашим каталогом
Присоединяйтесь бесплатно и получайте персонализированные рекомендации, обновления и предложения.
Coursera делает лучшее в мире образование доступным каждому, предлагая онлайн-курсы от ведущих университетов и организаций.
© Coursera Inc., 2019 Все права защищены.
