Жасуша геномын өңдеуге арналған сайтқа тәуелді рекомбинация технологиялары
Site-specific recombinase technology
Жаңа гендік инженерия технологиялары: рекомбиназа ферменттері ДНК-ны өзгертеді. Мутацияларды дамыту кезеңіне & жасуша түрлеріне қадамымен енгізуге мүмкіндік береді.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Сайтқа тән рекомбиназалық технологиялар – рекомбиназа ферменттерін пайдаланып ДНК-ның белгілі бір бөліктерін алмастыруға мүмкіндік беретін геномдық инженерия құралдары.
Site specific recombinase technologies are genome engineering tools that depend on recombinase enzymes to replace targeted sections of DNA.
Тарих
1980-ші жылдардың соңында егешкінің эмбриондық сақтану жасушаларында (ЭСЖ) гендік таңдау жасау, мутацияларды егешкінің ұрпақ желісіне жеткізуге мүмкіндік берді және геномдағы реттеуші желілердің генетикалық негізін зерттеудің жаңа тәсілі ретінде пайда болды. Алайда, классикалық гендік таңдау бірнеше жағынан шектеулі болды, себебі рекомбинантты ЭСЖ-ны іріктеу үшін енгізілуі қажет болған маркерлік геннің әсерінен гендік функциялар қайтымсыз жойылды. Бұл алғашқы қадамдар организмдерге әкелді, онда мутация денедегі барлық жасушаларда бастапқыдан-ақ болды, бұл күрделі фенотиптерге және/немесе ерте өлімге алып келді. Дамудың нақты кезеңдері мен жасуша түрлеріне осы мутацияларды шектеуге қатысты әдістерге қажеттілік туды. АҚШ-тағы ғалымдар бактериофаг және ашытқыдан алынған сайтқа тәуелді рекомбинация (СТР) жүйелерін сүтқоректілер жасушаларына және егешкіге енгізе білгенде бұл арман шындыққа айналды.
In the late 1980s gene targeting in murine embryonic stem cells (ESCs) enabled the transmission of mutations into the mouse germ line, and emerged as a novel option to study the genetic basis of regulatory networks as they exist in the genome. Still, classical gene targeting proved to be limited in several ways as gene functions became irreversibly destroyed by the marker gene that had to be introduced for selecting recombinant ESCs. These early steps led to animals in which the mutation was present in all cells of the body from the beginning leading to complex phenotypes and/or early lethality. There was a clear need for methods to restrict these mutations to specific points in development and specific cell types. This dream became reality when groups in the USA were able to introduce bacteriophage and yeast derived site specific recombination (SSR ) systems into mammalian cells as well as into the mouse.
Реакция жолдары
Режимдік интеграция/резолюция және инверсия (INT/RES және INV) рекомбиназаның мақсаттық орындарының (RTS) бағытына байланысты, олар attP және attB жұптары арасында орналасқан. C бөлімі рекомбиназа арқылы кассеталық алмасудың (RMCE) синхронды екі реттік өзара кроссоверлер арқылы қалай жүзеге асырылатынын (интеграциядан кейін резолюцияға қарамастан) қарапайым түрде көрсетеді. Tyr рекомбиназалары қайтымды, ал Ser интегразасы бір бағытты. Ерекшелігі, қайтымды Flp (Tyr рекомбиназа) интеграциясы/резолюциясы 48 ж.б. (минималды 34 ж.б. орнына) FRT нұсқаларымен реттеледі: қосымша 13 ж.б. қол Flp үшін "қону жолы" ретінде қызмет етеді, бұл Flp INT және Flp RMCE функцияларының аясында синапты кешеннің қалыптасуына көмектеседі (тиісті тепе-теңдік жағдайларын қараңыз). Cre үшін A бөліміндегі интеграцияның (энтропияға байланысты) кері қайтуын тоқтату мүмкін емес, ал Flp үшін оны жүзеге асыру қиын болса да, егер донор плазмидасы алға және кері реакциялардың екімолекулалық сипатына байланысты артық мөлшерде берілсе, RMCE аяқталуы мүмкін. Екі FRT орыны кері орналасқан жағдайда, ендірілген фрагмент үшін екі бағыттың тепе-теңдігіне әкеледі (жасыл жебе). Flp-тен айырмашылығы, Ser интеграза PhiC31 (төменгі суреттемелер) кемінде рекомбиназа бағытталу факторы (RDF) болмаған жағдайда бір бағытты интеграцияға әкеледі. Flp RMCE-ге қарағанда, оған екі түрлі ("гетероспецификалық") FRT аралық мутациялары қажет, ал бірінші реакцияға түсетін attP орынының серігі (attB) кездейсоқ таңдалады, сондықтан донор кассетасының нысанаға кіретін бағытын бақылау мүмкін емес (балама өнімдерді қараңыз). Flp RMCE-ден айырмашылығы, гетероспецификалық (бір-бірімен қиылыспайтын) attP/attB комбинацияларының болмауына байланысты бірнеше RMCE нысандарын параллель орнату мүмкін емес.
The mode integration/resolution and inversion (INT/RES and INV) depend on the orientation of recombinase target sites (RTS), among these pairs of attP and attB. Section C indicates, in a streamlined fashion, the way recombinase mediated cassette exchange (RMCE) can be reached by synchronous double reciprocal crossovers (rather than integration, followed by resolution). Tyr Recombinases are reversible, while the Ser Integrase is unidirectional. Of note is the way reversible Flp (a Tyr recombinase) integration/resolution is modulated by 48 bp (in place of 34 bp minimal) FRT versions: the extra 13 bp arm serves as a Flp "landing path" contributing to the formation of the synaptic complex, both in the context of Flp INT and Flp RMCE functions (see the respective equilibrium situations). While it is barely possible to prevent the (entropy driven) reversion of integration in section A for Cre and hard to achieve for Flp, RMCE can be completed if the donor plasmid is provided at an excess due to the bimolecular character of both the forward and the reverse reaction. Posing both FRT sites in an inverse manner will lead to an equilibrium of both orientations for the insert (green arrow). In contrast to Flp, the Ser integrase PhiC31 (bottom representations) leads to unidirectional integration, at least in the absence of an recombinase directionality (RDF )factor. Relative to Flp RMCE, which requires two different ("heterospecific") FRT spacer mutants, the reaction partner (attB) of the first reacting attP site is hit arbitrarily, such that there is no control over the direction the donor cassette enters the target (cf. the alternative products). Also different from Flp RMCE, several distinct RMCE targets cannot be mounted in parallel, owing to the lack of heterospecific (non crossinteracting) attP/attB combinations.
Крем рекомбиназасы
Cre рекомбиназасы (Cre) кофакторлардың қатысуынсыз ДНК-ның нақты тізбектерін қайта біріктіре алады. Фермент loxP деп аталатын 34 базалық жұп ДНК реттілігін таниды ("фаг P1-дегі кроссовер локусы"). Нысаналық сайттардың бір-біріне қатысты орналасуына байланысты, Cre ДНК тізбектерін біріктіре/алыстата немесе инверттей алады. ДНК-ның белгілі бір аймағын алып тастағанда (шешілім, егер субстрат дөңгелек болса), геннің қалыпты экспрессиясы айтарлықтай нашарлайды немесе тоқтатылады. Cre-нің күшті шешілім қабілетіне байланысты, оның бастапқы қолданыстарының бірі loxP-мен шектелінген ("floxed") гендерді алып тастау болды, бұл Cre тізімдік тіндерде экспрессияланғаннан кейін осындай floxed геннің жасушаға тән гендік нокаутына әкелді. Қазіргі технологиялар Cre белсенділігінің кеңістіктік және уақыттық бақылауын қамтамасыз ететін әдістерді қамтиды. Генетикалық өзгерістің кеңістіктік бақылауын қамтамасыз ететін әдеттегі әдіс, Cre экспрессиясын жүзеге асыру үшін тіндік ерекше промоторды таңдау болып табылады. Cre-ні мұндай промотордың бақылауына қою локальды, тіндік ерекше экспрессияға әкеледі. Мысалы, Леоне және авторлар тобы миелин протеолипидтік белок (PLP) генінің реттеуші тізбектерін транскрипциялық бөлімшеге орналастырды, бұл олигодендроциттер мен Шванн жасушаларында мақсатты гендік тізбектерді жоюға әкелді. Cre танитын нақты ДНК фрагменті PLP генін экспрессияламайтын жасушаларда өзгеріссіз қалады; бұл өз кезегінде орталық нерв жүйесіндегі (ОЖЖ) және шеткі нерв жүйесіндегі (ШЖЖ) нерв талшықтарын қоршап тұрған миелин қабығындағы геномдық өзгерістердің локальды әсерлерін эмпирикалық түрде бақылауға мүмкіндік береді. Селективті Cre экспрессиясы көптеген басқа жасуша түрлерінде және тіндерде де жүзеге асырылды. Экцизия реакциясының уақыттық белсенділігін бақылау үшін әртүрлі лиганд байланыстыру домендерін пайдаланатын Cre түрлері әзірленді. Нақты уақыттық Cre белсенділігін индукциялаудың сәтті стратегиясының бірі ферментті адам эстроген рецепторының (ERt) мутацияланған лиганд байланыстыру доменімен біріктіруді қамтиды. Тамоксифенді (эстроген рецепторының антагонисті) енгізген кезде, Cre ERt құрылымы ядроға еніп, мақсатты мутацияны тудырады. ERt тамоксифенге эндогендік эстрогендерге қарағанда жоғары туыстықпен байланысады, бұл Cre ERt-ді тамоксифенмен емделмеген жануарларда цитоплазмалық күйде қалуға мүмкіндік береді. Тамоксифен арқылы SSR белсенділігінің уақыттық бақылауы эмбриогенездің кейінгі кезеңдерінде және/немесе ересек тіндерде генетикалық өзгерістерді тудыруға мүмкіндік береді. Бұл күш-жігері "таңбалау және алмастыру" стратегияларының ең жоғары деңгейін көрсетеді, олар геномдық сайтты таңбалауға арналған, сонда "таңбалау" жаңа (немесе бар) генетикалық ақпаратты енгізуге арналған мекенжай ретінде қызмет ете алады. Таңбалау кезеңі ретровирустардың интеграциялық қалауларын немесе PhiC31 сияқты сайтқа тән интегразаларды пайдалану арқылы интеграциялық сайттардың белгілі бір кластарын таңдауға мүмкіндік береді, екеуі де негізінен бір бағытта әрекет етеді. Дәстүрлі, еңбекті талап ететін "таңбалау және алмастыру" процедуралары екі тізбекті гомологтық рекомбинация (HR) қадамдарына сүйенді, біріншісі ("HR1") таңбалаушы белгіні құрайтын таңдау маркер генін енгізді. "HR2" маркерді "GOI" арқылы алмастыру үшін қолданылды. Бірінші ("нокаут") реакциясында ген таңдамалы маркермен таңбаланды, әдетте G418-ге қарсы тұруды қамтамасыз ететін hygtk ([+/ ]) кассетасын енгізу арқылы. Келесі "қосылу" кезеңінде таңбаланған геномдық тізбек белгілі бір мутациялармен гомологты геномдық тізбектермен алмастырылды. Клетка клондарынан HSV tk генінің жоғалуына байланысты ганцикловирге қарсы тұру қабілеті бойынша оқшаулауға болады, яғни ("теріс таңдау"). Бұл дәстүрлі екі сатылы таңбалау және алмастыру процедурасы RMCE пайда болғаннан кейін оңайлатылды, ол қосылу кезеңін қабылдап, тиімділікті арттыра алады.
Cre recombinase (Cre) is able to recombine specific sequences of DNA without the need for cofactors. The enzyme recognizes 34 base pair DNA sequences called loxP ("locus of crossover in phage P1"). Depending on the orientation of target sites with respect to one another, Cre will integrate/excise or invert DNA sequences. Upon the excision (called "resolution" in case of a circular substrate) of a particular DNA region, normal gene expression is considerably compromised or terminated. Due to the pronounced resolution activity of Cre, one of its initial applications was the excision of loxP flanked ("floxed") genes leading to cell specific gene knockout of such a floxed gene after Cre becomes expressed in the tissue of interest. Current technologies incorporate methods, which allow for both the spatial and temporal control of Cre activity. A common method facilitating the spatial control of genetic alteration involves the selection of a tissue specific promoter to drive Cre expression. Placement of Cre under control of such a promoter results in localized, tissue specific expression. As an example, Leone et al. have placed the transcription unit under the control of the regulatory sequences of the myelin proteolipid protein (PLP) gene, leading to induced removal of targeted gene sequences in oligodendrocytes and Schwann cells. The specific DNA fragment recognized by Cre remains intact in cells, which do not express the PLP gene; this in turn facilitates empirical observation of the localized effects of genome alterations in the myelin sheath that surround nerve fibers in the central nervous system (CNS) and the peripheral nervous system (PNS). Selective Cre expression has been achieved in many other cell types and tissues as well. In order to control temporal activity of the excision reaction, forms of Cre which take advantage of various ligand binding domains have been developed. One successful strategy for inducing specific temporal Cre activity involves fusing the enzyme with a mutated ligand binding domain for the human estrogen receptor (ERt). Upon the introduction of tamoxifen (an estrogen receptor antagonist), the Cre ERt construct is able to penetrate the nucleus and induce targeted mutation. ERt binds tamoxifen with greater affinity than endogenous estrogens, which allows Cre ERt to remain cytoplasmic in animals untreated with tamoxifen. The temporal control of SSR activity by tamoxifen permits genetic changes to be induced later in embryogenesis and/or in adult tissues. These efforts mark the top of various "tag and exchange" strategies, which are dedicated to tagging a distinct genomic site such that the "tag" can serve as an address to introduce novel (or alter existing) genetic information. The tagging step per se may address certain classes of integration sites by exploiting integration preferences of retroviruses or even site specific integrases like PhiC31, both of which act in an essentially unidirectional fashion. The traditional, laborious "tag and exchange" procedures relied on two successive homologous recombination (HR )steps, the first one ("HR1") to introduce a tag consisting of a selection marker gene. "HR2" was then used to replace the marker by the "GOI. In the first ("knock out" ) reaction the gene was tagged with a selectable marker, typically by insertion of a hygtk ([+/ ]) cassette providing G418 resistance. In the following "knock in" step, the tagged genomic sequence was replaced by homologous genomic sequences with certain mutations. Cell clones could then be isolated by their resistance to ganciclovir due to loss of the HSV tk gene, i. e. ("negative selection"). This conventional two step tag and exchange procedure could be streamlined after the advent of RMCE, which could take over and add efficiency to the knock in step.
PhiC31 интегразасы
Көп күмәнсіз, Ser интегразалары трансгендерді шектеулі және жақсы түсінілген геномдық қабылдағыш сайттарға интеграциялау үшін қазіргі таңдау құралдары болып табылады, олар көбінесе (бірақ әрдайым емес) донор векторындағы attB-ны тартатын фагтың attP сайтына ұқсайды. Қазіргі уақытта ең белгілі мүшесі – адам және егеуқұйрық геномдарының контекстінде дәлелденген әлеуеті бар PhiC31 INT. Жоғарыда аталған Tyr рекомбиназаларынан өзгеше, PhiC31 INT бір бағытта әрекет етеді, донор векторын геномдық тұғырланған нысанаға мікемдейді. Бұл жүйенің айқын артықшылығы – ол өзгертілмеген, табиғи attP (қабылдағыш) және attB донорлық сайттарына сүйене алады. Қосымша пайда (кейбір қиындықтармен бірге) егеуқұйрық және адам геномдарындағы шектеулі эндогендік нысаналардың (сондай-ақ «attP псевдосайттары» деп аталатын) болуынан туындауы мүмкін. Қолда бар мәліметтерге сүйенсек, ДНК тізбегінің айқын талаптары интегразаға ретровирустық және тіпті транспозазалық интеграциялық жүйелерге қарағанда аз ғана сайттарды тануға мүмкіндік береді, осылайша оны бірнеше жақсы қалыптасқан геномдық сайттарға тасымалдау және енгізу үшін артықшылықты тасымалдаушы ретінде қалыптастырады, олардың кейбіреулері «қауіпсіз белім» қасиеттерімен сипатталады. Арнайы (attP x attB) рекомбинация жолдарының болуын пайдалану арқасында RMCE синтетикалық, гетероспецификалық att сайттарын қажет етпейді. Бұл айқын артықшылық, алайда, кіріс (донор) кассетасының түрі мен бағыттылығын бақылаудың болмауы сияқты кемшіліктермен байланысты. Сонымен қатар, кері қайтарылмаушылық стандартты мультиплексті RMCE құрылымдарын, соның ішінде «сериялық RMCE» реакцияларын, яғни белгілі бір геномдық локуста кассеталарды қайта-қайта алмастыруды жүргізуге мүмкіндік бермейді.
Without much doubt, Ser integrases are the current tools of choice for integrating transgenes into a restricted number of well understood genomic acceptor sites that mostly (but not always) mimic the phage attP site in that they attract an attB containing donor vector. At this time the most prominent member is PhiC31 INT with proven potential in the context of human and mouse genomes. Contrary to the above Tyr recombinases, PhiC31 INT as such acts in a unidirectional manner, firmly locking in the donor vector at a genomically anchored target. An obvious advantage of this system is that it can rely on unmodified, native attP (acceptor) and attB donor sites. Additional benefits (together with certain complications) may arise from the fact that mouse and human genomes per se contain a limited number of endogenous targets (so called "attP pseudosites"). Available information suggests that considerable DNA sequence requirements let the integrase recognize fewer sites than retroviral or even transposase based integration systems opening its career as a superior carrier vehicle for the transport and insertion at a number of well established genomic sites, some of which with so called "safe harbor" properties. Exploiting the fact of specific (attP x attB) recombination routes, RMCE becomes possible without requirements for synthetic, heterospecific att sites. This obvious advantage, however comes at the expense of certain shortcomings, such as lack of control about the kind or directionality of the entering (donor ) cassette. Further restrictions are imposed by the fact that irreversibility does not permit standard multiplexing RMCE setups including "serial RMCE" reactions, i. e., repeated cassette exchanges at a given genomic locus.
Болашақ және перспективалар
Адам және тышқан геномдарының түсіндірмесі нәтижесінде 20 000-нан астам ақуызды кодтайтын гендер және 3 000-нан астам кодтамайтын РНК гендері анықталды, олар ұрықтанудан бастап, эмбриогенез арқылы ересек өмірге дейін организмнің дамуын бағыттайды. Қол жеткізілген үлкен прогреске қарамастан, сирек кездесетін гендік варианттардың маңыздылығы зерттеулердің орталық тақырыбы болып қала береді. Омыртқалы жануарлардың гендік функцияларын кең ауқымда зерттеу үшін маңызды платформалардың бірі ретінде, мутантты тышқан эмбрионалды сақиналық жасушаларының геномдық генетикалық ресурстары құрылды. Осы мақсатта, Еуропа мен Солтүстік Америкада тышқан геномдарының толық мутагенезін жүзеге асыруға бағытталған төрт халықаралық бағдарлама құрылды (EUCOMM, KOMP, NorCOMM және TIGM). Халықаралық нокаутты тышқандар консорциумы (IKSC) координациялаған бұл эмбрионалды сақиналық жасушалар репозиторийлері халықаралық зерттеу ұйымдары арасында алмасуға қолжетімді. Қазіргі ресурстар 11 539 бірегей гендегі мутацияларды қамтиды, оның 4 414-і шартты. Тиісті технологиялар енді басқа сүтқоректілер түрлеріне және адамның түбірлі жасушаларына, әсіресе iPS (индуцирленген көпүрлі) статусы бар жасушаларға қолданылуын кеңейтуге мүмкіндік беретін деңгейге жетті.
Annotation of the human and mouse genomes has led to the identification of >20 000 protein coding genes and >3 000 noncoding RNA genes, which guide the development of the organism from fertilization through embryogenesis to adult life. Although dramatic progress is noted, the relevance of rare gene variants has remained a central topic of research. As one of the most important platforms for dealing with vertebrate gene functions on a large scale, genome wide genetic resources of mutant murine ES cells have been established. To this end four international programs aimed at saturation mutagenesis of the mouse genome have been founded in Europe and North America (EUCOMM, KOMP, NorCOMM, and TIGM). Coordinated by the International Knockout Mouse Consortium (IKSC) these ES cell repositories are available for exchange between international research units. Present resources comprise mutations in 11 539 unique genes, 4 414 of these conditional. The relevant technologies have now reached a level permitting their extension to other mammalian species and to human stem cells, most prominently those with an iPS (induced pluripotent) status.