Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено из Transgenesis )
Перейти к навигации Перейти к поиску
Часть серии по
Генная инженерия
Генная инженерия logo.png
 
Генетически модифицированные организмы
История и регулирование
Процесс
Приложения
Споры

Доставка генов - это процесс доставки чужеродных генов, таких как ДНК или РНК , в клетки- хозяева . [1] Доставка гена должна достигать генома клетки-хозяина, чтобы вызвать экспрессию гена . [2] Для успешной доставки гена требуется, чтобы доставка чужеродного гена оставалась стабильной в клетке-хозяине и могла либо интегрироваться в геном, либо реплицироваться независимо от него. [3] Это требует, чтобы чужеродная ДНК была синтезирована как часть вектора , который предназначен для проникновения в желаемую клетку-хозяина и доставки трансгена в геном этой клетки. [4]Векторы, используемые в качестве метода доставки генов, можно разделить на две категории: рекомбинантные вирусы и синтетические векторы (вирусные и невирусные). [2] [5]

В сложных многоклеточных эукариотах (точнее, вейссманистах ), если трансген включен в клетки зародышевой линии хозяина , полученная хозяйская клетка может передать трансген своему потомству . Если трансген включен в соматические клетки, трансген останется с линией соматических клеток и, следовательно, с организмом-хозяином. [6]

Доставка гена является необходимым этапом в генной терапии для введения или подавления гена, чтобы способствовать терапевтическому результату у пациентов, а также имеет применения в генетической модификации сельскохозяйственных культур. Существует множество различных методов доставки генов для различных типов клеток и тканей. [6]

История [ править ]

Векторы на основе вирусов появились в 1980-х годах как инструмент для экспрессии трансгена. В 1983 году Альберт Сигель описал использование вирусных векторов для экспрессии трансгенов растений, хотя манипуляции с вирусами посредством клонирования кДНК еще не были доступны. [7] Первый вирус для использования в качестве вектора вакцины был осповакцины вируса в 1984 году как способ защиты шимпанзе против гепатита . [8] О невирусной доставке генов впервые сообщили в 1943 году Avery et al. которые показали изменение клеточного фенотипа в результате воздействия экзогенной ДНК . [9]

Методы [ править ]

Бактериальная трансформация включает перемещение гена от одной бактерии к другой. Он интегрирован в плазмиду реципиента. и затем может быть выражен новым хостом.

Существует множество доступных способов доставки генов в клетки-хозяева. Когда гены доставляются бактериям или растениям, этот процесс называется трансформацией, а когда он используется для доставки генов животным, он называется трансфекцией . Это связано с тем, что трансформация имеет другое значение по отношению к животным, указывая на прогрессирование до ракового состояния. [10] Для некоторых бактерий не требуется никаких внешних методов для введения генов, поскольку они естественным образом способны поглощать чужеродную ДНК . [11] Большинству клеток требуется какое-то вмешательство, чтобы сделать клеточную мембрану проницаемой для ДНК и позволить ДНК стабильно встраиваться в геном хозяина .

Химическая [ править ]

В химических способах доставки генов могут использоваться природные или синтетические соединения для образования частиц, которые облегчают перенос генов в клетки. [2] Эти синтетические векторы обладают способностью электростатически связывать ДНК или РНК и уплотнять генетическую информацию, чтобы приспособиться к более крупным генетическим переносам. [5] Химические векторы обычно проникают в клетки путем эндоцитоза и могут защитить генетический материал от деградации. [6]

Тепловой шок [ править ]

Один из простейших методов заключается в изменении окружающей среды клетки и последующем воздействии на нее теплового шока . Обычно клетки инкубируют в растворе, содержащем двухвалентные катионы (часто хлорид кальция ), в холодных условиях перед воздействием теплового импульса. Хлорид кальция частично разрушает клеточную мембрану, что позволяет рекомбинантной ДНК проникать в клетку-хозяин. Предполагается, что воздействие на клетки двухвалентных катионов в холодных условиях может изменить или ослабить структуру поверхности клетки, сделав ее более проницаемой для ДНК. Считается, что тепловой импульс создает тепловой дисбаланс на клеточной мембране, который заставляет ДНК проникать в клетки либо через клеточные поры, либо через поврежденную клеточную стенку.

Фосфат кальция [ править ]

Другой простой метод заключается в использовании фосфата кальция для связывания ДНК с последующим воздействием на нее культивируемых клеток. Раствор вместе с ДНК инкапсулируется клетками, и небольшое количество ДНК может быть интегрировано в геном. [12]

Липосомы и полимеры [ править ]

Липосомы и полимеры можно использовать в качестве векторов для доставки ДНК в клетки. Положительно заряженные липосомы связываются с отрицательно заряженной ДНК, в то время как могут быть созданы полимеры, которые взаимодействуют с ДНК. [2] Они образуют липоплексы и полиплексы соответственно, которые затем захватываются клетками. [13] Эти две системы также можно комбинировать. [6] Невирусные векторы на основе полимеров используют полимеры для взаимодействия с ДНК и образования полиплексов. [6]

Наночастицы [ править ]

Использование созданных неорганических и органических наночастиц - еще один невирусный подход к доставке генов. [14] [15]

Физический [ править ]

Искусственная доставка генов может осуществляться с помощью физических методов, которые используют силу для введения генетического материала через клеточную мембрану. [2]

Электропорация [ править ]

Электропораторы можно использовать, чтобы сделать клеточную мембрану проницаемой для ДНК.

Электропорация - это метод повышения компетентности . Клетки кратковременно подвергают воздействию электрического поля 10-20 кВ / см, которое, как считается, создает отверстия в клеточной мембране, через которые может проникнуть плазмидная ДНК. После электрического шока отверстия быстро закрываются механизмами восстановления мембраны клетки.

Биолистика [ править ]

Генная пушка использует биолистику для вставки ДНК в клетки

Другой метод, используемый для трансформации растительных клеток, - это биолистика , при которой частицы золота или вольфрама покрываются ДНК, а затем вводятся в молодые клетки растений или зародыши растений. [16] Некоторый генетический материал проникает в клетки и трансформирует их. Этот метод можно использовать на растениях, которые не восприимчивы к инфекции Agrobacterium, а также позволяет трансформировать пластиды растений . Клетки растений также можно трансформировать с помощью электропорации, которая использует электрический шок, чтобы сделать клеточную мембрану проницаемой для плазмидной ДНК. Из-за повреждения клеток и ДНК эффективность трансформации биолистики и электропорации ниже, чем агробактериальной трансформации. [17]

Микроинъекция [ править ]

Микроинъекция - это инъекция ДНК через ядерную оболочку клетки непосредственно в ядро . [11]

Sonoporation [ править ]

Сонопорация использует звуковые волны для создания пор в клеточной мембране, чтобы обеспечить проникновение генетического материала.

Фотопорация [ править ]

Фотопорация - это когда лазерные импульсы используются для создания пор в клеточной мембране, чтобы обеспечить проникновение генетического материала.

Магнитофекция [ править ]

Магнитофекция использует магнитные частицы в комплексе с ДНК, а внешнее магнитное поле концентрирует частицы нуклеиновой кислоты в клетках-мишенях.

Гидропорация [ править ]

Гидродинамический капиллярный эффект можно использовать для управления проницаемостью клеток.

Agrobacterium [ править ]

A. tumefaciens прикрепляется к клетке моркови

В растениях ДНК часто вставляются с помощью Agrobacterium , -опосредованной рекомбинации , [18] Воспользовавшись Agrobacterium сек Т-ДНК последовательности , что позволяет естественное введение генетического материала в клетки растений. [19] Растительную ткань разрезают на мелкие кусочки и замачивают в жидкости, содержащей суспендированные агробактерии . Бактерии прикрепляются ко многим растительным клеткам, обнаженным порезами. Бактерии используют конъюгацию для передачи сегмента ДНК, называемого Т-ДНК.из его плазмиды в растение. Перенесенная ДНК направляется в ядро ​​растительной клетки и интегрируется в геномную ДНК растения-хозяина. Плазмидная Т-ДНК интегрируется полуслучайно в геном клетки-хозяина. [20]

Модифицируя плазмиду для экспрессии интересующего гена, исследователи могут стабильно встраивать выбранный ген в геном растения. Единственными существенными частями Т-ДНК являются ее два небольших (25 пар оснований) граничных повторов, по крайней мере один из которых необходим для трансформации растений. [21] [22] Гены, которые необходимо ввести в растение, клонируют в вектор трансформации растений, который содержит область Т-ДНК плазмиды . Альтернативный метод - агроинфильтрация . [23] [24]

Вирусная доставка [ править ]

Чужеродная ДНК трансдуцируется в клетку-хозяин через аденовирусный вектор.

Опосредованная вирусом доставка генов использует способность вируса вводить свою ДНК внутрь клетки-хозяина и пользуется преимуществом собственной способности вируса реплицировать и внедрять свой собственный генетический материал. Вирусные методы доставки генов с большей вероятностью вызывают иммунный ответ, но они обладают высокой эффективностью. [6] Трансдукция - это процесс, который описывает опосредованное вирусом внедрение ДНК в клетку-хозяин. Вирусы являются особенно эффективной формой доставки генов, поскольку структура вируса предотвращает деградацию через лизосомы ДНК, которую он доставляет в ядро ​​клетки-хозяина. [25] В генной терапии ген, который предназначен для доставки, упаковывается в вирусную частицу с дефицитом репликации, чтобы сформировать вирусный вектор.. [26] Вирусы, используемые на сегодняшний день для генной терапии, включают ретровирус, аденовирус, аденоассоциированный вирус и вирус простого герпеса. Однако у использования вирусов для доставки генов в клетки есть недостатки. Вирусы могут доставлять в клетки только очень маленькие фрагменты ДНК, это трудоемко и сопряжено с риском случайных участков вставки, цитопатических эффектов и мутагенеза. [27]

Для доставки генов на основе вирусного вектора используется вирусный вектор для доставки генетического материала в клетку-хозяин. Это делается путем использования вируса, содержащего желаемый ген, и удаления части генома вируса, которая является заразной. [2] Вирусы эффективно доставляют генетический материал в ядро ​​клетки-хозяина, что жизненно важно для репликации. [25]

Вирусные векторы на основе РНК [ править ]

Вирусы на основе РНК были разработаны из-за способности транскрибировать непосредственно из инфекционных транскриптов РНК. РНК-векторы быстро экспрессируются и экспрессируются в целевой форме, поскольку обработка не требуется. Интеграция генов приводит к долговременной экспрессии трансгена, но доставка на основе РНК обычно носит временный и непостоянный характер. [2] Ретровирусные векторы включают онкоретровирусный, лентивирусный и пенистый вирус человека . [2]

Вирусные векторы на основе ДНК [ править ]

Вирусные векторы на основе ДНК обычно более долговечны с возможностью интеграции в геном. Вирусные векторы на основе ДНК включают Adenoviridae , аденоассоциированный вирус и вирус простого герпеса . [2]

Приложения [ править ]

Генная терапия [ править ]

Основная статья: Генная терапия

Некоторые из методов, используемых для облегчения доставки генов, применяются в терапевтических целях. Генная терапия использует доставку генов для доставки генетического материала с целью лечения заболевания или состояния клетки. Для доставки генов в терапевтических условиях используются неиммуногенные векторы, обладающие клеточной специфичностью, которые могут доставлять адекватное количество экспрессии трансгена, чтобы вызвать желаемый эффект. [3]

Достижения в области геномики позволили определить множество новых методов и генных мишеней для возможных применений. ДНК - микрочипы , используемые в различных следующего поколения секвенирования может идентифицировать тысячи генов одновременно, аналитическое программное обеспечение , глядя на паттернов экспрессии генов, и orthologou сек гены в модельных видов , чтобы определить функцию. [28] Это позволило идентифицировать множество возможных векторов для использования в генной терапии. В качестве метода создания нового класса вакцины для создания гибрида была использована доставка генов.биосинтетический вектор для доставки возможной вакцины. Этот вектор преодолевает традиционные препятствия для доставки генов путем объединения E. coli с синтетическим полимером для создания вектора, который поддерживает плазмидную ДНК, но при этом обладает повышенной способностью избегать деградации лизосомами клеток-мишеней. [29]

См. Также [ править ]

  • Нацеливание на гены
  • Миникруг
  • Плазмида
  • Трансген
  • Вектор (молекулярная биология)
  • Вирусный вектор

Ссылки [ править ]

  1. ^ Джонс СН, Чен СК, Ravikrishnan А, Rane S, Пфайфер Б.А. (ноябрь 2013 г. ). «Преодоление барьеров доставки невирусных генов: перспективы и будущее» . Молекулярная фармацевтика . 10 (11): 4082–98. DOI : 10.1021 / mp400467x . PMC  5232591 . PMID  24093932 .
  2. ^ a b c d e f g h i Kamimura K, Suda T, Zhang G, Liu D (октябрь 2011 г.). «Достижения в системах доставки генов» . Фармацевтическая медицина . 25 (5): 293–306. DOI : 10.1007 / bf03256872 . PMC 3245684 . PMID 22200988 .  
  3. ^ а б Мали S (январь 2013 г.). «Системы доставки для генной терапии» . Индийский журнал генетики человека . 19 (1): 3–8. DOI : 10.4103 / 0971-6866.112870 . PMC 3722627 . PMID 23901186 .  
  4. Перейти ↑ Gibson G, Muse SV (2009). Учебник по геномной науке (третье изд.). 23 Plumtree Rd, Сандерленд, Массачусетс 01375: Sinauer Associates. С. 304–305. ISBN 978-0-87893-236-8.CS1 maint: location ( ссылка )
  5. ^ a b Pack DW, Hoffman AS, Pun S, Stayton PS (июль 2005 г.). «Дизайн и разработка полимеров для доставки генов». Обзоры природы. Открытие наркотиков . 4 (7): 581–93. DOI : 10.1038 / nrd1775 . PMID 16052241 . 
  6. ^ Б с д е е Nayerossadat N, T, Maedeh Ali PA (6 июля 2012). «Вирусные и невирусные системы доставки для доставки генов» . Передовые биомедицинские исследования . 1 : 27. DOI : 10,4103 / 2277-9175.98152 . PMC 3507026 . PMID 23210086 .  
  7. ^ Юсибов В, Shivprasad S, Turpen TH, Доусон Вт, Копровский Н (1999). «Растительные вирусные векторы на основе тобамовирусов». Актуальные темы микробиологии и иммунологии . 240 : 81–94. DOI : 10.1007 / 978-3-642-60234-4_4 . ISBN 978-3-540-66265-5. PMID  10394716 .
  8. Перейти ↑ Moss B, Smith GL, Gerin JL, Purcell RH (сентябрь 1984). «Живой рекомбинантный вирус осповакцины защищает шимпанзе от гепатита В». Природа . 311 (5981): 67–9. Bibcode : 1984Natur.311 ... 67M . DOI : 10.1038 / 311067a0 . PMID 6472464 . 
  9. ^ Avery OT, MacLeod CM, МакКарти M (2017). Die Entdeckung der Doppelhelix . Klassische Texte der Wissenschaft (на немецком языке). Springer Spektrum, Берлин, Гейдельберг. С. 97–120. DOI : 10.1007 / 978-3-662-47150-0_2 . ISBN 9783662471494.
  10. Перейти ↑ Alberts B , Johnson A, Lewis J, Raff M, Roberts K, Walter P (2002). Молекулярная биология клетки . Нью-Йорк: Наука о гирляндах. п. Г: 35. ISBN 978-0-8153-4072-0.
  11. ^ a b Chen I, Dubnau D (март 2004 г.). «Поглощение ДНК при бактериальной трансформации». Обзоры природы. Микробиология . 2 (3): 241–9. DOI : 10.1038 / nrmicro844 . PMID 15083159 . 
  12. ^ «Лекция 8 генная инженерия клеток животных» . www.slideshare.net . 2012-01-25 . Проверено 18 июля 2018 .
  13. ^ Biocyclopedia.com. "Методы переноса (трансфекции) генов у животных | Генная инженерия и биотехнология Методы переноса генов и трансгенные организмы | Генетика, биотехнология, молекулярная биология, ботаника | Biocyclopedia.com" . biocyclopedia.com . Проверено 18 июля 2018 .
  14. ^ Инь, Фэн; Гу, Бобо; Линь, Инин; Панвар, Ништа; Тджин, Суи Чуан; Цюй, Джунл; Лау, Шу Пин; Йонг, Кен-Тай (15 сентября 2017 г.). «Функционализированные 2D наноматериалы для приложений доставки генов». Обзоры координационной химии . 347 : 77. DOI : 10.1016 / j.ccr.2017.06.024 .
  15. ^ Сингх Б.Н., Пратикша, Гупта В.К., Чен Дж., Атанасов А.Г. Комбинаторные подходы на основе органических наночастиц для генной терапии. Trends Biotechnol. 2017 декабрь; 35 (12): 1121–1124. DOI: 10.1016 / j.tibtech.2017.07.010.
  16. ^ Глава G, Халл RH, Tzotzos GT (2009). Генетически модифицированные растения: оценка безопасности и управление рисками . Лондон: Academic Pr. п. 244. ISBN 978-0-12-374106-6.
  17. ^ Hwang, HH; Ю, М; Лай, Э.М. (2017). «Трансформация растений, опосредованная Agrobacterium: биология и применение» . Книга арабидопсиса . 15 : e0186. DOI : 10,1199 / tab.0186 . PMC 6501860 . PMID 31068763 .  
  18. ^ Комитет Национального исследовательского совета (США) по выявлению и оценке непреднамеренных эффектов генетически модифицированных продуктов питания на здоровье человека (2004-01-01). Методы и механизмы генетического манипулирования растениями, животными и микроорганизмами . Национальная академия прессы (США).
  19. ^ Gelvin SB (март 2003). «Опосредованная Agrobacterium трансформация растений: биология, лежащая в основе инструмента« генной борьбы » . Обзоры микробиологии и молекулярной биологии . 67 (1): 16–37, содержание. DOI : 10.1128 / MMBR.67.1.16-37.2003 . PMC 150518 . PMID 12626681 .  
  20. ^ Фрэнсис KE, Спайкер S (февраль 2005). «Идентификация трансформантов Arabidopsis thaliana без отбора показывает высокую частоту замалчивания интеграций Т-ДНК» . Заводской журнал . 41 (3): 464–77. DOI : 10.1111 / j.1365-313x.2004.02312.x . PMID 15659104 . 
  21. Перейти ↑ Schell J, Van Montagu M (1977). «Ti-плазмида Agrobacterium Tumefaciens, естественный вектор для внедрения генов NIF в растения?». В Hollaender A, Burris RH, Day PR, Hardy RW, Helinski DR, Lamborg MR, Owens L, Valentine RC (ред.). Генная инженерия для фиксации азота . Основные науки о жизни. 9 . С. 159–79. DOI : 10.1007 / 978-1-4684-0880-5_12 . ISBN 978-1-4684-0882-9. PMID  336023 .
  22. ^ Йоос Н, Тиммерман В, Монтэг М.В., Schell J (1983). «Генетический анализ переноса и стабилизации ДНК Agrobacterium в растительных клетках» . Журнал EMBO . 2 (12): 2151–60. DOI : 10.1002 / j.1460-2075.1983.tb01716.x . PMC 555427 . PMID 16453483 .  
  23. ^ Томсон JA. "Генная инженерия растений" (PDF) . Биотехнология . 3 . Проверено 17 июля 2016 года .
  24. ^ Лейцингер К, Дент М, Хуртад J, J Станке, Лай Н, Чжоу Х, Чен Q (июль 2013 г. ). «Эффективная агроинфильтрация растений для высокоуровневой временной экспрессии рекомбинантных белков» . Журнал визуализированных экспериментов . 77 (77). DOI : 10.3791 / 50521 . PMC 3846102 . PMID 23913006 .  
  25. ^ a b Вивел Н. А., Уилсон Дж. М. (июнь 1998 г.). «Способы доставки генов». Гематологические / онкологические клиники Северной Америки . 12 (3): 483–501. DOI : 10.1016 / s0889-8588 (05) 70004-6 . PMID 9684094 . 
  26. ^ Lodish H, Berk A, Zipursky SL, et al. (2000). Молекулярная клеточная биология (Четвертое изд.). Нью-Йорк: WH Freeman and Company. С. Раздел 6.3, Вирусы: структура, функции и использование. ISBN 9780716737063.
  27. Перейти ↑ Keles E, Song Y, Du D, Dong WJ, Lin Y (август 2016). «Последние достижения в области наноматериалов для доставки генов». Наука о биоматериалах . 4 (9): 1291–309. DOI : 10.1039 / C6BM00441E . PMID 27480033 . 
  28. Перейти ↑ Guyon I, Weston J, Barnhill S, Vapnik V (2002). «Выбор гена для классификации рака с использованием машин опорных векторов» . Машинное обучение . 46 : 389–422. DOI : 10,1023 / A: 1012487302797 .
  29. ^ Джонс СН, Ravikrishnan А, Чен М, Reddinger R, Камаль Ахмади М, Rane S, Хоканссон А.П., Пфайфер Б.А. (август 2014). «Разработка гибридного биосинтетического вектора для генной терапии и двойной инженерный потенциал» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 111 (34): 12360–5. Bibcode : 2014PNAS..11112360J . DOI : 10.1073 / pnas.1411355111 . PMC 4151754 . PMID 25114239 .  

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Сегура Т., Ши Л.Д. (2001). «Материалы для доставки невирусных генов». Ежегодный обзор исследований материалов . 31 : 25–46. Bibcode : 2001AnRMS..31 ... 25S . DOI : 10.1146 / annurev.matsci.31.1.25 .
  • Луо Д., Зальцман В.М. (январь 2000 г.). «Системы доставки синтетической ДНК». Природа Биотехнологии . 18 (1): 33–7. DOI : 10.1038 / 71889 . PMID  10625387 .

Внешние ссылки [ править ]

  • 10-й американо-японский симпозиум по системам доставки лекарств
  • Природа: Доставка генов
  • Учебный центр генетики: доставка генов
  • Боковой перенос генов
  • Редактирование генома
  • NIH: Как работает генная терапия?