Введение
Генетическая техника "Нокаут" генов (также известная как делеция гена или инактивация гена) – широко используемая техника генетической инженерии, включающая целенаправленное удаление или инактивацию конкретного гена в геноме организма. Это достигается различными методами, включая гомологичную рекомбинацию, CRISPR Cas9 и TALENs. Одним из основных преимуществ нокаута генов является возможность изучения функции конкретного гена *in vivo* и понимания его роли в нормальном развитии и физиологии, а также в патологии заболеваний. Исследуя фенотип организма с инактивированным геном, ученые могут получить представление о биологических процессах, в которых этот ген участвует. Существуют два основных типа нокаута генов: полный и условный. Полный нокаут гена необратимо инактивирует ген, в то время как условный нокаут гена позволяет включать и выключать ген в определенное время или в определенных тканях. Условные нокауты особенно полезны для изучения процессов развития и понимания роли гена в конкретных типах клеток или тканей. Нокаут генов широко применяется в различных организмах, включая бактерии, дрожжи, плодовых мушек, данио рерио и мышей. У мышей нокаут генов часто используется для изучения функции конкретных генов в контексте развития, физиологии и исследований рака. Использование моделей нокаута генов на мышах оказалось особенно ценным в изучении заболеваний человека. Например, нокаут генов у мышей применялся для изучения роли определенных генов в развитии рака, неврологических расстройств, иммунных нарушений и метаболических заболеваний. Однако, нокаут генов имеет и определенные ограничения. Например, потеря одного гена может не полностью воспроизводить эффекты генетического заболевания, а нокаут может оказывать непредвиденное влияние на другие гены или сигнальные пути. Кроме того, нокаут генов не всегда является адекватной моделью для изучения заболеваний человека, поскольку геном мыши не идентичен геному человека, а физиология мыши отличается от физиологии человека. Техника КО по сути является обратной генной нокаут-инсерции. Одновременное выключение двух генов в организме называется двойным нокаутом (DKO). Аналогично, термины тройной нокаут (TKO) и четверной нокаут (QKO) используются для описания трех или четырех инактивированных генов соответственно. Важно различать гетерозиготные и гомозиготные КО. В первом случае инактивируется только одна из двух копий гена (аллелей), во втором – обе.
Gene knockouts (also known as gene deletion or gene inactivation) are a widely used genetic engineering technique that involves the targeted removal or inactivation of a specific gene within an organism's genome. This can be done through a variety of methods, including homologous recombination, CRISPR Cas9, and TALENs. One of the main advantages of gene knockouts is that they allow researchers to study the function of a specific gene in vivo, and to understand the role of the gene in normal development and physiology as well as in the pathology of diseases. By studying the phenotype of the organism with the knocked out gene, researchers can gain insights into the biological processes that the gene is involved in. There are two main types of gene knockouts: complete and conditional. A complete gene knockout permanently inactivates the gene, while a conditional gene knockout allows for the gene to be turned off and on at specific times or in specific tissues. Conditional knockouts are particularly useful for studying developmental processes and for understanding the role of a gene in specific cell types or tissues. Gene knockouts have been widely used in many different organisms, including bacteria, yeast, fruit flies, zebrafish, and mice. In mice, gene knockouts are commonly used to study the function of specific genes in development, physiology, and cancer research. The use of gene knockouts in mouse models has been particularly valuable in the study of human diseases. For example, gene knockouts in mice have been used to study the role of specific genes in cancer, neurological disorders, immune disorders, and metabolic disorders. However, gene knockouts also have some limitations. For example, the loss of a single gene may not fully mimic the effects of a genetic disorder, and the knockouts may have unintended effects on other genes or pathways. Additionally, gene knockouts are not always a good model for human disease as the mouse genome is not identical to the human genome, and mouse physiology is different from human physiology. The KO technique is essentially the opposite of a gene knock in. Knocking out two genes simultaneously in an organism is known as a double knockout (DKO). Similarly the terms triple knockout (TKO) and quadruple knockouts (QKO) are used to describe three or four knocked out genes, respectively. However, one needs to distinguish between heterozygous and homozygous KOs. In the former, only one of two gene copies (alleles) is knocked out, in the latter both are knocked out.
Методы
Нокауты достигаются различными техниками. Изначально выявлялись спонтанные мутации, а затем потеря или инактивация гена должна была быть подтверждена секвенированием ДНК или другими методами.
Генетический нокаут в результате мутации
Геновый нокаут с помощью мутации обычно проводится у бактерий. Ранний пример применения этой техники в Escherichia coli был опубликован в 1989 году Гамильтоном и соавторами. В этом эксперименте для делеции гена использовались две последовательные рекомбинации. Эта работа продемонстрировала возможность удаления или замены функционального гена у бактерий. С тех пор этот метод был усовершенствован для других организмов, в частности, для исследовательских животных, таких как мыши. Мыши с нокаутом генов широко используются для изучения генов, имеющих аналоги у человека, которые могут быть связаны с заболеваниями. Примером исследования с использованием нокаутных мышей является изучение роли белков Xirp в синдроме внезапной необъяснимой ночной смерти (SUNDS) и синдроме Бругады у представителей китайской популяции хань.
Генотипирование
Для исследований по нокауту генов всё большую популярность приобретает метод РНК-интерференции (РНКi), более новый подход, также известный как глушение генов. В основе РНК-интерференции (РНКi) лежит инактивация мРНК конкретного гена с помощью малых интерферирующих РНК (siRNA) или коротких шпильковых РНК (shRNA). Это эффективно блокирует экспрессию гена. РНК-интерференция (РНКi) использовалась для глушения генов, таких как онкогены Bcl 2 и p53, а также генов, связанных с неврологическими заболеваниями, генетическими нарушениями и вирусными инфекциями.
Гомологичная рекомбинация
Гомологичная рекомбинация – это обмен генами между двумя цепями ДНК, включающими обширные области идентичных друг другу последовательностей оснований. У эукариотических организмов, бактерий и некоторых вирусов гомологичная рекомбинация происходит спонтанно и является полезным инструментом в генетической инженерии. Гомологичная рекомбинация, происходящая во время мейоза у эукариот, необходима для восстановления разрывов двойной спирали ДНК и способствует генетическому разнообразию, обеспечивая перемещение генетической информации во время кроссинговера. Гомологичная рекомбинация, являясь ключевым механизмом восстановления ДНК у бактерий, позволяет встраивать генетический материал, приобретенный посредством горизонтального переноса генов и трансформации, в ДНК. Гомологичная рекомбинация у вирусов влияет на ход вирусной эволюции. Гомологичная рекомбинация, тип генного таргетинга, используемый в генетической инженерии, включает введение сконструированной мутации в конкретный ген для более глубокого изучения его функции. Этот метод предполагает введение чужеродной ДНК в клетку, содержащую последовательность, сходную с целевым геном, фланкированную участками, идентичными участкам выше и ниже по течению от целевого гена. ДНК целевого гена замещается чужеродной последовательностью ДНК во время репликации, когда клетка распознает сходные фланкирующие области как гомологичные. Целевой ген "выключается" в результате обмена. Используя этот метод для нацеливания на определенные аллели в эмбриональных стволовых клетках мышей, можно создавать нокаутные мыши. С помощью генного таргетинга было отключено множество генов мышей, что привело к созданию сотен различных моделей мышей для изучения различных заболеваний человека, таких как рак, диабет, сердечно-сосудистые заболевания и неврологические расстройства. Марио Капекки, сэр Мартин Дж. Эванс и Оливер Смиттис провели новаторские исследования гомологичной рекомбинации в стволовых клетках мышей и разделили Нобелевскую премию по физиологии или медицине за свои открытия в 2007 году. Традиционно гомологичная рекомбинация была основным методом создания генного нокаута. Этот метод включает создание ДНК-конструкции, содержащей желаемую мутацию. Для целей нокаута обычно используется маркер устойчивости к лекарственным препаратам вместо целевого гена. Конструкция также содержит минимум 2 кб гомологии с целевой последовательностью. Конструкцию можно доставить в стволовые клетки с помощью микроинъекции или электропорации. Этот метод затем полагается на собственные механизмы восстановления клетки для рекомбинации ДНК-конструкции с существующей ДНК. Это приводит к изменению последовательности гена, и в большинстве случаев ген будет транслироваться в нефункциональный белок, если вообще будет транслироваться. Однако это неэффективный процесс, поскольку гомологичная рекомбинация составляет лишь 10−2–10−3 от общего числа интеграций ДНК. Это может происходить неточно, что иногда приводит к вставкам или делециям пар оснований, вызывающим сдвиг рамки считывания. Эти мутации могут сделать ген, в котором они возникают, нефункциональным, тем самым создавая нокаут этого гена. Этот процесс более эффективен, чем гомологичная рекомбинация, и поэтому его легче использовать для создания биаллельных нокаутов. Область связывания ДНК состоит из повторов аминокислот, каждый из которых распознает одну пару оснований желаемой целевой последовательности ДНК. Если это расщепление направлено на кодирующую область гена, а восстановление, опосредованное NHEJ, вводит вставки и делеции, часто возникает мутация сдвига рамки считывания, нарушающая функцию гена. Связанный Cas9 вызовет двунитевой разрыв в ДНК.
Накачание
Включение гена аналогично нокауту гена, но вместо удаления гена, оно заменяет его другим геном.
Условный нокаут
Условный нокаут гена позволяет удалять ген в ткани специфическим для этой ткани образом. Это необходимо вместо обычного нокаута гена, если нулевая мутация приведет к гибели эмбриона, или если конкретный тип ткани или клетки представляет особый интерес для исследования. Это достигается путем введения коротких последовательностей, называемых локсP-сайтами, вокруг целевого гена. Эти последовательности вводятся в зародышевую линию тем же способом, что и при создании обычного нокаута. Затем эту зародышевую линию скрещивают с другой зародышевой линией, содержащей Cre-рекомбиназу – вирусный фермент, способный распознавать эти последовательности, рекомбинировать их и удалять ген, фланкированный этими сайтами. Гены, не участвующие в раннем развитии, успешно изучались с использованием подходов, основанных на нокауте и удалении генов. Однако, как правило, невозможно инактивировать гены, активные на ранних стадиях развития, не вызвав летального исхода у организма. Одним из решений является условный нокаут. Используя сайт-специфическую рекомбиназу Cre, оригинальная методика условного нокаута рекомбинировала короткие целевые последовательности, известные как локсP. С тех пор были созданы и применены другие рекомбиназы в экспериментах по условному нокауту.
Использование
Нокауты в основном используются для изучения роли конкретного гена или участка ДНК путем сравнения организма с нокаутом с диким типом, имеющим схожий генетический фон. Нокаутные организмы также применяются в качестве инструментов скрининга при разработке лекарственных препаратов, для воздействия на определенные биологические процессы или дефициты с использованием конкретного нокаута, или для понимания механизма действия лекарства, используя библиотеку нокаутных организмов, охватывающую весь геном, например, у Saccharomyces cerevisiae.