Какие организмы называют трансгенными кратко

Обновлено: 08.07.2024

Биотехнология — это использование ор­ганизмов, биологических систем или биологи­ческих процессов в промышленном производ­стве. К отраслям биотехнологии относятся генная, хромосомная и клеточная инженерия, клонирование сельскохозяйственных расте­ний и животных, использование микроорга­низмов в хлебопечении, виноделии, производ­стве лекарств и др.

Вопрос 2. Какие проблемы решает генная ин­женерия? С какими трудностями связаны исследования в этой области?

Вопрос 3. Как вы думаете, почему селекция микроорганизмов приобретает в настоящее время первостепенное значение?

Существует несколько причин повышения интереса к селекции микроорганизмов:

легкость селекции (по сравнению с рас­тениями и животными), которая обусловлена большой скоростью размножения и простотой культивирования бактерий;
огромный биохимический потенциал (разнообразие осуществляемых бактериями реакций — от синтеза антибиотиков и витами нов до выделения из руд редких химических элементов);
простота генно-инженерных манипу­ляций; важно также то, что встроенный в ДНК бактерии ген автоматически начинает рабо­тать, поскольку (в отличие от эукариотических организмов) все гены прокариотов активны.В результате на сегодняшний день сущест­вует огромное число примеров использования новых штаммов бактерий на практике: произ­водство продуктов питания, гормонов человека, переработка отходов, очистка сточных вод и др.

Вопрос 4. Приведите примеры промышленно­го получения и использования продуктов жизнеде­ятельности микроорганизмов.

С давних времен кисломолочные бактерии обеспечивают приготовление простокваши и сыра; бактерии, для которых характерно спиртовое брожение, — синтез этилового спир­та; дрожжи используют в хлебопечении и ви­ноделии.

С 1982 г. в промышленных масштабах по­лучают инсулин, синтезируемый кишечной палочкой. Это стало возможным после того, как при помощи методов генной инженерии ген инсулина человека был встроен в ДНК бак­терии. В настоящее время налажен синтез трансгенного гормона роста, который исполь­зуется для лечения карликовости у детей.

Микроорганизмы участвуют также в биотех­нологических процессах по очистке сточных мод, переработке отходов, удалению нефтяных разливов в водоемах, получению топлива.

Вопрос 5. Какие организмы называют транс­генными?

Трансгенными (генетически модифициро­ванными) называют организмы, содержащие искусственные дополнения в геноме. Приме­ром (помимо упомянутой выше кишечной па­лочки) могут служить растения, в ДНК кото­рых встроен фрагмент бактериальной хро­мосомы, ответственный за синтез токсина, отпугивающего вредных насекомых. В резуль­тате получены сорта кукурузы, риса, картофе­ля, устойчивые к вредителям и не требующие использования пестицидов. Интересен при­мер лосося, ДНК которого дополнили геном, активирующим выработку гормона роста. В результате лосось рос в несколько раз быст­рее, и вес рыб оказался гораздо больше нормы.

Вопрос 6. В чем преимущество клонирования по сравнению с традиционными методами селекции?

Клонирование направлено на получение точных копий организма с уже известными характеристиками. Оно позволяет добиваться лучших результатов в более короткие сроки, чем традиционные методы селекции.

Клонирование дает возможность работать с отдельными клетками или небольшими заро­дышами. Например, при разведении крупного рогатого скота зародыш теленка на стадии не­дифференцированных клеток разделяют на фрагменты и помещают их в суррогатных матерей. В результате развиваются несколько идентичных телят с необходимыми признаками и свойствами.

При необходимости можно использовать и клонирование растений. В этом случае селек­ция происходит в клеточной культуре (на ис­кусственно культивируемых изолированных клетках). И лишь затем из клеток, обладаю­щих необходимыми свойствами, выращивают полноценные растения.

Наиболее известный пример клонирова­ния — пересадка ядра соматической клетки в развивающуюся яйцеклетку. Эта технология в будущем позволит создать генетического двойника любого организма (или, что более актуально, его тканей и органов).

Трансге́нный органи́зм — живой организм, в геном которого искусственно введен ген другого организма.

Целью создания трансгенных организмов является получение организма с новыми свойствами. Клетки трансгенного организма производят белок, ген которого был внедрен в геном. Новый белок могут производить все клетки организма (неспецифическая экспрессия нового гена), либо определенные клеточные типы (специфическая экспрессия нового гена).

Создание трансгенных организмов используют:

  • в научном эксперименте для развития технологии создания трансгенных организмов, для изучения роли определенных генов и белков, для изучения многих биологических процессов; огромное значение в научном эксперименте получили трансгенные организмы с маркерными генами (продукты этих генов с легкостью определяются приборами, например зелёный флуоресцентный белок, визуализируют с помощью микроскопа, так легко можно определить происхождение клеток, их судьбу в организме и т. д.);
  • в сельском хозяйстве для получения новых сортов растений и пород животных;
  • в биотехнологическом производстве плазмид и белков.

Ген или генетический материал, переданный естественным путем или с помощью любого из ряда методов генной инженерии от одного организма к другому.

А трансген это ген который был передан естественным путем или любым из ряда генная инженерия техники от одного организма к другому. Введение трансгена в процессе, известном как трансгенез, может изменить фенотип организма. Трансген описывает сегмент ДНК содержащие последовательность гена, выделенную из одного организма и введенную в другой организм. Этот ненативный сегмент ДНК может сохранять способность производить РНК или же белок в трансгенном организме или изменить нормальную функцию генетического кода трансгенного организма. Как правило, ДНК входит в состав организма. линия зародыша. Например, в высшие позвоночные это может быть достигнуто путем введения чужеродной ДНК в ядро удобрений яйцеклетка. Этот метод обычно используется для введения генов болезней человека или других представляющих интерес генов в штаммы лабораторные мыши изучить функцию или патология связаны с этим конкретным геном.

Конструирование трансгена требует сборки нескольких основных частей. Трансген должен содержать промоутер, который является регуляторной последовательностью, которая будет определять, где и когда трансген активен, экзон, кодирующая последовательность белка (обычно полученная из кДНК для интересующего белка) и стоп-последовательность. Обычно они объединяются в бактериальный плазмида и кодирующие последовательности обычно выбирают из трансгенов с ранее известными функциями. [1]

Содержание

История

Идея создания организма в соответствии с конкретными потребностями - не новая наука. Однако до конца 1900-х годов фермеры и ученые могли вывести новые штаммы растений или организмов только из близкородственных видов, потому что ДНК должна была быть совместимой, чтобы потомство могло воспроизвести другое поколение. [ нужна цитата ]

В 1970 и 1980-х годах ученые преодолели это препятствие, изобретя процедуры объединения ДНК двух совершенно разных видов с генная инженерия. Организмы, полученные с помощью этих процедур, были названы трансгенными. Трансгенез такой же, как генная терапия в том смысле, что они оба трансформируют клетки с определенной целью. Однако они совершенно разные по своим целям, поскольку генная терапия направлена ​​на излечение дефекта в клетках, а трансгенез стремится создать генетически модифицированный организм путем включения определенного трансгена в каждую клетку и изменения геном. Таким образом, трансгенез изменяет половые клетки, а не только соматические клетки, чтобы гарантировать передачу трансгенов потомству при воспроизводстве организмов. Трансгены изменяют геном, блокируя функцию гена-хозяина; они могут либо заменить ген хозяина на ген, который кодирует другой белок, либо ввести дополнительный ген. [2]

Первый трансгенный организм был создан в 1974 году, когда Энни Чанг и Стэнли Коэн выразил Золотистый стафилококк гены в кишечная палочка. [3] В 1978 году дрожжевые клетки были первыми эукариотическими организмами, подвергшимися переносу генов. [4] Клетки мыши были впервые трансформированы в 1979 г., а эмбрионы мышей - в 1980 г. Большинство самых первых трансмутаций было выполнено микроинъекция ДНК прямо в клетки. Ученые смогли разработать другие методы выполнения преобразований, такие как включение трансгенов в ретровирусы а затем заражение клеток с помощью электроинфузии, которая использует электрический ток для прохождения чужеродной ДНК через клеточную стенку, биолистика это процедура выстрела пулями ДНК в клетки, а также доставки ДНК в только что оплодотворенную яйцеклетку. [5]

Первые трансгенные животные предназначались только для генетических исследований с целью изучения конкретной функции гена, и к 2003 году были изучены тысячи генов.

Использование в растениях

Разнообразие трансгенные растения были разработаны для сельского хозяйства для производства генетически модифицированные культуры, таких как кукуруза, соя, рапсовое масло, хлопок, рис и другие. По состоянию на 2012 год [Обновить] эти ГМО-культуры были посажены на 170 млн га во всем мире. [6]

Золотой рис

Одним из примеров трансгенных растений является золотой рис. В 1997 г. [ нужна цитата ] пять миллионов детей развились ксерофтальмия, заболевание, вызванное витамин А дефицит только в Юго-Восточной Азии. [7] Из этих детей четверть миллиона ослепли. [7] Для борьбы с этим ученые использовали биолистика вставить нарцисс фитоенсинтаза ген в азиатский рис сорта. [8] Вставка нарциссов увеличила производство бета-каротин. [8] Продукт представлял собой трансгенный вид риса, богатый витамином А, называемый золотой рис. Мало что известно о влиянии золотого риса на ксерофтальмию, поскольку кампании против ГМО предотвратили полное коммерческое использование золотого риса в нуждающихся сельскохозяйственных системах. [9]

Побег трансгена

Кукуруза

Кукуруза, отобранная в 2000 г. Сьерра-Хуарес, Оахака, Мексика содержала трансгенный промотор 35S, в то время как большой образец, взятый другим методом из того же региона в 2003 и 2004 годах, не содержал. Образец из другого региона в 2002 г. также не подтвердился, но в целевых образцах, взятых в 2004 г., можно было предположить, что трансгены сохраняются или повторно внедряются. [12] Исследование 2009 года обнаружило рекомбинантные белки в 3,1% и 1,8% образцов, чаще всего на юго-востоке Мексики. Импорт семян и зерна из США может объяснить частоту и распространение трансгенов в западно-центральной Мексике, но не на юго-востоке. Кроме того, 5,0% партий семян кукурузы в мексиканских запасах кукурузы экспрессировали рекомбинантные белки, несмотря на мораторий на ГМ-культуры. [13]

Хлопок

В 2011 году трансгенный хлопок был обнаружен в Мексике среди дикого хлопка после 15 лет выращивания ГМО-хлопка. [14]

Рапс (канола)

Трансгенный рапс Brassicus napus, гибридизированный с аборигенным японским видом Brassica rapa, был найден в Японии в 2011 г. [15] после того, как они были идентифицированы в 2006 году в Квебек, Канада. [16] Они были устойчивыми в течение 6-летнего периода исследования, без давления отбора гербицидов и несмотря на гибридизацию с дикой формой. Это был первый отчет интрогрессия- стабильное включение генов из одного генофонда в другой - трансгена устойчивости к гербицидам из Brassica napus в генофонд дикой формы. [17]

Ползучая полевица

Оценка рисков

Было показано, что долгосрочный мониторинг и контроль конкретного трансгена невозможны. [20] В Европейское агентство по безопасности пищевых продуктов опубликовал руководство по оценке рисков в 2010 году. [21]

Использование у мышей

Генетически модифицированные мыши являются наиболее распространенной животной моделью для трансгенных исследований. [22] В настоящее время трансгенных мышей используют для изучения различных заболеваний, включая рак, ожирение, сердечные заболевания, артрит, тревожность и болезнь Паркинсона. [23] Двумя наиболее распространенными типами генетически модифицированных мышей являются: нокаутные мыши и онкомис. Нокаут-мыши - это тип модели мышей, в которой трансгенная вставка используется для нарушения экспрессии существующего гена. Для создания мышей с нокаутом трансген с желаемой последовательностью вставляют в изолированную мышь. бластоциста с помощью электропорация. Потом, гомологичная рекомбинация происходит естественным образом в некоторых клетках, заменяя интересующий ген разработанным трансгеном. Благодаря этому процессу исследователи смогли продемонстрировать, что трансген может быть интегрирован в геном животного, выполнять определенную функцию внутри клетки и передаваться будущим поколениям. [24]

Онкомисы - это еще один генетически модифицированный вид мышей, созданный путем встраивания трансгенов, повышающих уязвимость животного к раку. Исследователи рака используют онкомис для изучения профилей различных видов рака, чтобы применить эти знания в исследованиях на людях. [24]

Использовать в Дрозофила

Было проведено множество исследований трансгенеза у Drosophila melanogaster, плодовая мушка. Этот организм был полезной генетической моделью более 100 лет из-за его хорошо изученной модели развития. Перенос трансгенов в Дрозофила геном был выполнен с использованием различных методов, в том числе P элемент, Cre-loxP, и ΦC31 вставка. Наиболее практичный метод, используемый до сих пор для вставки трансгенов в Дрозофила геном использует элементы P. Сменные элементы P, также известные как транспозоны, представляют собой сегменты бактериальной ДНК, которые перемещаются в геном без наличия комплементарной последовательности в геноме хозяина. P-элементы вводят парами по два, которые фланкируют интересующую область вставки ДНК. Кроме того, P-элементы часто состоят из двух плазмидных компонентов, один из которых известен как транспозаза P-элемента, а другой - остов P-транспозона. Часть плазмиды транспозазы управляет транспозицией остова Р-транспозона, содержащего интересующий трансген и часто маркер, между двумя концевыми участками транспозона. Успешная вставка приводит к необратимому добавлению интересующего трансгена в геном. Хотя этот метод доказал свою эффективность, сайты вставки P-элементов часто неконтролируемы, что приводит к неблагоприятному, случайному внедрению трансгена в Дрозофила геном. [25]

Чтобы улучшить расположение и точность трансгенного процесса, фермент, известный как Cre был введен. Cre оказался ключевым элементом в процессе, известном как опосредованный рекомбинацией обмен кассет. (RMCE). Хотя было показано, что он имеет более низкую эффективность трансгенной трансформации, чем транспозазы P-элемента, Cre значительно снижает трудоемкость балансировки случайных P-вставок. Создает помощь в направленном трансгенезе интересующего сегмента гена ДНК, поскольку поддерживает картирование сайтов встраивания трансгена, известных как сайты loxP. Эти сайты, в отличие от P-элементов, могут быть специально вставлены, чтобы фланкировать интересующий сегмент хромосомы, способствуя направленному трансгенезу. Транспозаза Cre играет важную роль в каталитическом расщеплении пар оснований, присутствующих в тщательно расположенных сайтах loxP, что делает возможным более специфические вставки интересующей трансгенной донорной плазмиды. [26]

Чтобы преодолеть ограничения и низкие выходы, которые дают методы трансформации с транспозоном и Cre-loxP, бактериофаг ΦC31 недавно был использован. Недавние прорывные исследования включают микроинъекцию интегразы бактериофага ФС31, которая показывает улучшенное встраивание трансгена в большие фрагменты ДНК, которые не могут быть транспонированы только Р-элементами. Этот метод включает рекомбинацию между сайтом прикрепления (attP) в фаг и сайт прикрепления в геноме бактериального хозяина (attB). По сравнению с обычными методами вставки трансгена P-элемента, ΦC31 интегрирует весь трансгенный вектор, включая бактериальные последовательности и гены устойчивости к антибиотикам. К сожалению, было обнаружено, что присутствие этих дополнительных вставок влияет на уровень и воспроизводимость экспрессии трансгена.

Использование в животноводстве и аквакультуре

Одним из сельскохозяйственных приложений является селективное разведение животных по определенным признакам: трансгенный крупный рогатый скот с увеличенным мышечным фенотипом был получен путем сверхэкспрессии короткой шпилечной РНК с гомологией с мРНК миостатина с использованием РНК-интерференции. [27] Трансгены используются для производства молока с высоким содержанием белков или шелка из козьего молока. Другое сельскохозяйственное применение - выборочное разведение животных, устойчивых к болезням, или животных для производства биофармацевтических препаратов. [27]

Будущий потенциал

Применение трансгенов - быстрорастущая область молекулярная биология. По состоянию на 2005 год прогнозировалось, что в следующие два десятилетия будет создано 300 000 линий трансгенных мышей. [28] Исследователи определили множество применений трансгенов, особенно в области медицины. Ученые сосредотачиваются на использовании трансгенов для изучения функции человеческий геном чтобы лучше понять болезнь, адаптируя органы животных для трансплантация в людей, и производство фармацевтические продукты Такие как инсулин, гормон ростаи факторы, препятствующие свертыванию крови из молока трансгенных коров. [ нужна цитата ]

По состоянию на 2004 год было известно пять тысяч генетические заболевания, и возможность лечения этих заболеваний с использованием трансгенных животных, возможно, является одним из самых многообещающих применений трансгенов. Есть возможность использовать человеческий генная терапия для замены мутировавшего гена неизмененной копией трансгена для лечения генетического заболевания. Это можно сделать с помощью Cre-Lox или нокаутировать. Более того, генетические нарушения изучаются с использованием трансгенных мышей, свиней, кроликов и крыс. Трансгенные кролики были созданы для изучения наследственных сердечных аритмий, поскольку сердце кролика заметно больше напоминает сердце человека, чем сердце мыши. [29] Совсем недавно ученые начали использовать трансгенных коз для изучения генетических нарушений, связанных с плодородие. [30]

Трансгены могут быть использованы для ксенотрансплантации органов свиньи. Путем изучения отторжения ксеноорганов было обнаружено, что острое отторжение пересаженного органа происходит при контакте органа с кровью реципиента из-за распознавания чужеродных антитела на эндотелиальные клетки пересаженного органа. Ученые определили у свиней антиген, который вызывает эту реакцию, и поэтому они могут трансплантировать орган без немедленного отторжения путем удаления антигена. Однако позже антиген начинает экспрессироваться, и происходит отторжение. Поэтому ведутся дальнейшие исследования. [ нужна цитата ] Трансгенный микроорганизмы способен производить каталитические белки или же ферменты которые увеличивают скорость промышленных реакций.

Этическое противоречие

Использование трансгенов у людей в настоящее время чревато проблемами. Трансформация генов в клетки человека еще не доведена до совершенства. Самый известный пример этого - некоторые пациенты, у которых развивались Т-клеточный лейкоз после лечения от Х-сцепленный тяжелый комбинированный иммунодефицит (X-SCID). [31] Это было связано с близостью вставленного гена к LMO2 промотор, контролирующий транскрипцию протоонкогена LMO2. [32]


Трансгенные организмы

Какие организмы называют трансгенными?

Трансгенными (генетически модифицированными) называют организмы, содержащие искусственные дополнения в геноме. Примером могут служить растения, в ДНК которых встроен фрагмент бактериальной хромосомы, ответственный за синтез токсина, отпугивающего вредных насекомых. В результате получены сорта кукурузы, риса, картофеля, устойчивые к вредителям и не требующие использования пестицидов. Интересен пример лосося, ДНК которого дополнили геном, активирующим выработку гормона роста. В результате лосось рос в несколько раз быстрее, и вес рыб оказался гораздо больше нормы.

Читайте также: