Кіріспе

Сайтқа тән рекомбиназалық технологиялар – рекомбиназа ферменттерін пайдаланып ДНК-ның белгілі бір бөліктерін алмастыруға мүмкіндік беретін геномдық инженерия құралдары.

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.

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.

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.

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.

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.