Введение

Компания. Гены или генетический материал, перенесенные от одного организма к другому. Трансген – это ген, который был перенесен естественным путем или с использованием одной из множества технологий генной инженерии от одного организма к другому. Введение трансгена, в процессе, известном как трансгенез, потенциально может изменить фенотип организма. Трансген описывает фрагмент ДНК, содержащий последовательность гена, выделенную из одного организма и введенную в другой организм. Этот чужеродный фрагмент ДНК может либо сохранять способность производить РНК или белок в трансгенном организме, либо изменять нормальное функционирование генетического кода трансгенного организма. Как правило, ДНК интегрируется в зародышевую линию организма. Например, у высших позвоночных это можно осуществить путем введения чужеродной ДНК в ядро оплодотворенной яйцеклетки. Эта техника обычно используется для введения генов, вызывающих заболевания человека, или других генов, представляющих интерес, в линии лабораторных мышей для изучения функции или патологии, связанной с этим конкретным геном. Создание трансгена требует сборки нескольких основных компонентов. Трансген должен содержать промотор – регуляторную последовательность, определяющую место и время активности трансгена, экзон, последовательность кодирования белка (обычно полученную из кДНК интересующего белка) и стоп-кодон. Обычно они объединяются в бактериальной плазмиде, а кодирующие последовательности обычно выбираются из трансгенов с ранее известными функциями. Трансгенные или генетически модифицированные организмы, будь то бактерии, вирусы или грибы, служат для множества исследовательских целей. Выведены трансгенные растения, насекомые, рыбы и млекопитающие (включая человека). Трансгенные растения, такие как кукуруза и соя, заменили дикие сорта в сельском хозяйстве в некоторых странах (например, в Соединенных Штатах). Побеги трансгенов из ГМО-культур зафиксированы с 2001 года и демонстрируют устойчивость и инвазивность. Трансгенные организмы поднимают этические вопросы и могут создавать проблемы в области биобезопасности.

История

Идея о создании организма, соответствующего определенной потребности, не является новой наукой. Однако до конца 1990-х годов фермеры и ученые могли выводить новые сорта растений или организмов только из близкородственных видов, поскольку ДНК должна была быть совместимой для размножения потомства. В 1970-х и 1980-х годах ученые преодолели это препятствие, разработав методы объединения ДНК двух совершенно разных видов с помощью генетической инженерии. Организмы, полученные в результате этих процедур, назывались трансгенными. Трансгенез аналогичен генной терапии в том смысле, что оба подхода направлены на изменение клеток с определенной целью. Однако они принципиально различаются по своим задачам: генная терапия стремится излечить дефект в клетках, а трансгенез – создать генетически модифицированный организм, встроив конкретный трансген в каждую клетку и изменив геном. Таким образом, трансгенез изменяет зародышевые клетки, а не только соматические, чтобы обеспечить передачу трансгенов потомству при размножении организмов. Трансгены изменяют геном, блокируя функцию гена-хозяина; они могут либо заменить ген-хозяин геном, кодирующим другой белок, либо ввести дополнительный ген. Первый трансгенный организм был создан в 1974 году, когда Энни Чанг и Стэнли Коэн экспрессировали гены золотистого стафилококка в Escherichia coli. В 1978 году клетки дрожжей стали первыми эукариотическими организмами, подвергшимися переносу генов. Клетки мыши были впервые трансформированы в 1979 году, а затем эмбрионы мыши – в 1980 году. Большинство первых трансформаций было выполнено путем микроинъекции ДНК непосредственно в клетки. Ученые разработали и другие методы трансформации, такие как встраивание трансгенов в ретровирусы с последующим заражением клеток, использование электропорации, которая использует электрический ток для прохождения чужеродной ДНК через клеточную стенку, биолистики – метода «выстреливания» ДНК в клетки, а также доставки ДНК в только что оплодотворенную яйцеклетку. Первые трансгенные животные предназначались исключительно для генетических исследований с целью изучения специфической функции гена, и к 2003 году были изучены тысячи генов.

Использование в растениях

Различные трансгенные растения были созданы для сельского хозяйства с целью получения генетически модифицированных культур, таких как кукуруза, соя, рапс, хлопок, рис и другие. По состоянию на 2012 год эти ГМО-культуры занимали 170 миллионов гектаров по всему миру.

Золотой рис

Один из примеров трансгенных видов растений — золотой рис. В 1997 году в одной только Юго-Восточной Азии пять миллионов детей заболели ксерофтальмией — заболеванием, вызванным дефицитом витамина А. Четверть миллиона из этих детей ослепли. Введение гена нарцисса увеличило производство β-каротина.

Уход трансгенов

Впервые о распространении генетически модифицированных генов растений через гибридизацию с дикими сородичами начали говорить и изучать в Мексике и Европе в середине 1990-х годов. Существует общее мнение, что распространение трансгенов неизбежно, и даже есть "определенные подтверждения этого факта".

Кукуруза

В 2000 году в кукурузе, отобранной для анализа в районе Сьерра-Хуарес, Оахака, Мексика, был обнаружен трансгенный промотор 35S, однако в большом образце, собранном другим методом в том же регионе в 2003 и 2004 годах, он не был выявлен. В образце из другого региона, полученном в 2002 году, также не был обнаружен, но в целенаправленно отобранных образцах 2004 года он присутствовал, что указывает на сохранение или повторное внесение трансгенов. Исследование 2009 года показало наличие рекомбинантных белков в 3,1% и 1,8% образцов, преимущественно на юго-востоке Мексики. Импорт семян и зерна из Соединенных Штатов может объяснить частоту и распространение трансгенов в западной центральной Мексике, но не на юго-востоке. Более того, 5,0% партий семян кукурузы в мексиканских запасах экспрессировали рекомбинантные белки, несмотря на мораторий на генетически модифицированные культуры.

Вата

В 2011 году трансгенный хлопок был обнаружен в Мексике среди дикорастущего хлопка после 15 лет культивации ГМО-хлопка.

Рапсовые семена (канола)

Трансгенная рапсовая культура Brassicus napus, гибридизированная с местным японским видом Brassica rapa, была обнаружена в Японии в 2011 году после идентификации в 2006 году в Квебеке, Канада. Она сохранялась в течение шестилетнего периода исследования без селективного давления гербицидов и несмотря на гибридизацию с дикорастущей формой. Это было первое зафиксированное явление интрогрессии – стабильного включения генов из одного генофонда в другой – трансгена, обеспечивающего устойчивость к гербицидам, из Brassica napus в генофонд дикорастущей формы.

Стреляная косоглазая трава

Трансгенная ползучая кострец, разработанная для устойчивости к глифосату как "одна из первых трансгенных культур, опыляемых ветром, многолетних и склонных к активному перекрестному опылению", была посажена в 2003 году в рамках крупного (около 160 га) полевого испытания в центральном Орегоне, недалеко от Мадраса, штат Орегон. В 2004 году было установлено, что её пыльца достигла дикорастущих популяций костреца на расстоянии до 14 километров. Перекрестное опыление с Agrostis gigantea было обнаружено даже на расстоянии 21 километра. Производитель, компания Scotts, не смогла удалить все генетически модифицированные растения, и в 2007 году Министерство сельского хозяйства США оштрафовало Scotts на 500 000 долларов за нарушение нормативных требований.

Оценка риска

Долгосрочный мониторинг и контроль конкретного трансгена оказались невозможными. Европейское агентство по безопасности продуктов питания опубликовало руководство по оценке рисков в 2010 году.

Использование у мышей

Генетически модифицированные мыши являются наиболее распространенной моделью животных для трансгенных исследований. В настоящее время трансгенные мыши используются для изучения различных заболеваний, включая рак, ожирение, болезни сердца, артрит, тревожность и болезнь Паркинсона. Два наиболее распространенных типа генетически модифицированных мышей – это нокаут-мыши и онкомисы. Нокаут-мыши – это тип модельных мышей, использующий трансгенную инсерцию для нарушения экспрессии существующего гена. Для создания нокаут-мышей трансген с желаемой последовательностью вводится в изолированную бластоцисту мыши с помощью электропорации. Затем гомологичная рекомбинация происходит естественным образом в некоторых клетках, заменяя ген интереса введенным трансгеном. Благодаря этому процессу исследователи продемонстрировали, что трансген может быть интегрирован в геном животного, выполнять определенную функцию в клетке и передаваться будущим поколениям. Онкомисы – это еще один генетически модифицированный вид мышей, созданный путем введения трансгенов, повышающих уязвимость животного к раку. Исследователи рака используют онкомисов для изучения профилей различных типов рака, чтобы применить эти знания к исследованиям на людях. Для улучшения локализации и точности трансгенного процесса был введен фермент Cre. Cre оказался ключевым элементом в процессе, известном как рекомбиназно-опосредованный обмен кассетами (RMCE). Хотя его эффективность трансгенной трансформации ниже, чем у P-элементных транспозаз, Cre значительно снижает трудоемкость балансировки случайных P-инсерций. Cre способствует целевому трансгенезу интересующего сегмента ДНК, поддерживая картирование мест вставки трансгенов, известных как loxP-сайты. Эти сайты, в отличие от P-элементов, могут быть специфически вставлены для фланкирования хромосомного сегмента, представляющего интерес, что облегчает целевой трансгенез. Cre-транспозаза играет важную роль в каталитическом расщеплении пар оснований в тщательно расположенных loxP-сайтах, обеспечивая более специфическую вставку трансгенной донорной плазмиды. Для преодоления ограничений и низкой эффективности методов трансформации, опосредованных транспозонами и Cre-loxP, недавно был использован бактериофаг ΦC31. Недавние прорывные исследования включают микроинъекцию интегразы бактериофага ΦC31, которая демонстрирует улучшенную инсерцию трансгена больших фрагментов ДНК, которые не могут быть транспонированы только P-элементами. Этот метод включает рекомбинацию между участком прикрепления (attP) в фаге и участком прикрепления в геноме бактериального хозяина (attB). По сравнению с обычными методами введения трансгенов с использованием P-элементов, 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 трансгенов.

Использование в животноводстве и аквакультуре

Одно из сельскохозяйственных применений заключается в селективном разведении животных для определенных признаков: трансгенный скот с увеличенным мышечным фенотипом был получен путем сверхэкспрессии короткой двухцепочечной РНК с гомологией к миостатиновой мРНК с использованием РНК-интерференции. Трансгены используются для производства молока с высоким содержанием белков или шелка из молока коз. Другое сельскохозяйственное применение – селективное разведение животных, устойчивых к заболеваниям, или животных для биофармацевтического производства. Исследователи выявили множество применений трансгенов, особенно в медицинской области. Ученые сосредоточены на использовании трансгенов для изучения функции человеческого генома с целью лучшего понимания болезней, адаптации органов животных для трансплантации человеку и производства фармацевтических продуктов, таких как инсулин, гормон роста и факторы свертывания крови из молока трансгенных коров. По состоянию на 2004 год было известно о пяти тысячах генетических заболеваний, и потенциал лечения этих заболеваний с помощью трансгенных животных, возможно, является одним из наиболее перспективных применений трансгенов. Существует возможность использования генной терапии человека для замены мутировавшего гена на немутировавшую копию трансгена для лечения генетического расстройства. Это можно сделать с помощью Cre Lox или нокаута. Кроме того, генетические расстройства изучаются с использованием трансгенных мышей, свиней, кроликов и крыс. Трансгенные кролики были созданы для изучения наследственных сердечных аритмий, поскольку сердце кролика значительно лучше соответствует человеческому сердцу по сравнению с мышью. В последнее время ученые также начали использовать трансгенных коз для изучения генетических нарушений, связанных с фертильностью. Трансгены могут использоваться для ксенотрансплантации органов свиней. В ходе изучения ксеноотторжения органов было установлено, что острая отторженность трансплантированного органа происходит при контакте органа с кровью реципиента из-за распознавания чужеродных антител на эндотелиальных клетках трансплантированного органа. Ученые идентифицировали антиген у свиней, вызывающий эту реакцию, и поэтому способны трансплантировать орган без немедленной отторженности путем удаления антигена. Однако антиген начинает экспрессироваться позже, и отторжение происходит. Поэтому проводятся дальнейшие исследования. Трансгенные микроорганизмы, способные производить каталитические белки или ферменты, увеличивающие скорость промышленных реакций.

Этические противоречия

Использование трансгенов у людей в настоящее время сопряжено с рядом проблем. Внедрение генов в клетки человека пока не доведено до совершенства. Наиболее известный пример связан с развитием Т-клеточной лейкемии у некоторых пациентов после лечения Х-сцепленного тяжелого комбинированного иммунодефицита (Х-СКИД). Это было обусловлено близостью введенного гена к промотору LMO2, который регулирует транскрипцию протоонкогена LMO2.