Введение
Технологии сайт-специфической рекомбинации — это инструменты геномной инженерии, использующие рекомбиназные ферменты для замены определенных участков ДНК.
История
В конце 1980-х годов таргетирование генов в мышиных эмбриональных стволовых клетках (ЭСК) позволило передавать мутации в зародышевую линию мыши и открыло новые возможности для изучения генетических основ регуляторных сетей в геноме. Однако классическое таргетирование генов оказалось ограничено в нескольких аспектах, поскольку функции генов необратимо нарушались за счет ген-маркера, который необходимо было ввести для отбора рекомбинантных ЭСК. Эти ранние подходы приводили к появлению животных, в которых мутация присутствовала во всех клетках организма с самого начала, что вызывало сложные фенотипы и/или раннюю летальность. Возникла явная потребность в методах, позволяющих ограничивать эти мутации конкретными стадиями развития и определенными типами клеток. Эта цель была достигнута, когда исследовательские группы в США смогли внедрить системы сайт-специфической рекомбинации (ССР), происходящие от бактериофагов и дрожжей, в клетки млекопитающих и мышей.
Пути реакции
Интеграция/разрешение и инверсия режима (INT/RES и INV) зависят от ориентации целевых участков рекомбиназы (RTS) среди этих пар attP и attB. Раздел C описывает, в упрощенном виде, как рекомбиназный обмен кассетами (RMCE) может быть достигнут посредством синхронных двойных взаимных кроссинговеров (вместо интеграции, за которой следует разрешение). Рекомбиназы типа Tyr обратимы, а серинтеграза – однонаправленная. Важно отметить, что обратимая интеграция/разрешение Flp (рекомбиназа Tyr) модулируется версиями FRT длиной 48 п.н. (вместо минимальных 34 п.н.): дополнительный участок длиной 13 п.н. служит "путем посадки" для Flp, способствуя формированию синаптического комплекса как в контексте функций Flp INT, так и Flp RMCE (см. соответствующие ситуации равновесия). Хотя предотвратить реверсию интеграции (обусловленную энтропией) в разделе A для Cre сложно, а для Flp – труднодостижимо, RMCE может быть завершена, если донорная плазмида представлена в избытке, благодаря бимолекулярному характеру прямой и обратной реакций. Размещение обоих сайтов FRT в инвертированной манере приведет к равновесию обеих ориентаций вставки (зеленая стрелка). В отличие от Flp, Ser-интеграза PhiC31 (нижние схемы) приводит к однонаправленной интеграции, по крайней мере, в отсутствие фактора направленности рекомбиназы (RDF). В отличие от Flp RMCE, который требует двух различных ("гетероспецифических") мутантов спейсеров FRT, реакционный партнер (attB) первого реагирующего сайта attP присоединяется случайным образом, что не позволяет контролировать направление, в котором донорная кассета встраивается в целевой сайт (см. альтернативные продукты). Кроме того, в отличие от Flp RMCE, невозможно параллельно установить несколько различных целей RMCE из-за отсутствия гетероспецифических (не перекрестно взаимодействующих) комбинаций attP/attB.
Кре- рекомбиназа
Рекомбиназа Cre способна рекомбинировать специфические последовательности ДНК без необходимости в кофакторах. Фермент распознает 34-парные основания ДНК, называемые loxP ("локус кроссовера в фаге P1"). В зависимости от ориентации целевых участков относительно друг друга, Cre будет интегрировать/экцизировать или инвертировать последовательности ДНК. При экцизии (называемой "резолюцией" в случае кругового субстрата) определенного региона ДНК нормальная экспрессия генов значительно нарушается или прекращается. Благодаря выраженной разрешающей активности Cre, одним из первых применений было вырезание генов, фланкированных loxP ("floxed"-генов), что приводило к клеточно-специфическому нокауту такого floxed-гена после экспрессии Cre в интересующей ткани. Современные технологии включают методы, позволяющие осуществлять как пространственный, так и временной контроль активности Cre. Распространенный метод, облегчающий пространственный контроль генетических изменений, заключается в выборе тканеспецифичного промотора для управления экспрессией Cre. Размещение Cre под контролем такого промотора приводит к локализованной, тканеспецифичной экспрессии. Например, Leone et al. разместили транскрипционный блок под контролем регуляторных последовательностей гена миелин-протеинового липида (PLP), что привело к индуцированному удалению целевых последовательностей генов в олигодендроцитах и клетках Шванна. Специфический фрагмент ДНК, распознаваемый Cre, остается нетронутым в клетках, не экспрессирующих ген PLP; это, в свою очередь, облегчает эмпирическое наблюдение за локализованными эффектами геномных изменений в миелиновой оболочке, окружающей нервные волокна в центральной нервной системе (ЦНС) и периферической нервной системе (ПНС). Селективная экспрессия Cre была достигнута и во многих других типах клеток и тканей. Для контроля временной активности реакции экцизии были разработаны формы Cre, использующие различные домены связывания лигандов. Одна из успешных стратегий для индукции специфической временной активности Cre включает слияние фермента с мутировавшим доменом связывания лиганда для человеческого эстрогенового рецептора (ERt). При введении тамоксифена (антагониста эстрогеновых рецепторов) конструкция Cre ERt способна проникать в ядро и индуцировать целевую мутацию. ERt связывает тамоксифен с большей аффинностью, чем эндогенные эстрогены, что позволяет Cre ERt оставаться в цитоплазме у животных, не получавших тамоксифен. Временной контроль активности ССР с помощью тамоксифена позволяет индуцировать генетические изменения на более поздних стадиях эмбриогенеза и/или в взрослых тканях. Эти усилия знаменуют собой вершину различных стратегий "маркировки и обмена", предназначенных для маркировки определенного геномного сайта, чтобы "маркировка" могла служить адресом для введения новой (или изменения существующей) генетической информации. Сам шаг маркировки может быть направлен на определенные классы интеграционных сайтов, используя предпочтения интеграции ретровирусов или даже сайт-специфичные интегразы, такие как PhiC31, которые действуют по существу однонаправленно. Традиционные, трудоемкие процедуры "маркировки и обмена" опирались на два последовательных этапа гомологической рекомбинации (HR), первый ("HR1") – для введения маркировки, состоящей из гена-маркера селекции. Затем "HR2" использовался для замены маркера на "GOI". В первой реакции ("нокаут") ген маркировался селекционным маркером, обычно путем вставки кассеты hygtk ([+/ ]), обеспечивающей устойчивость к G418. На следующем этапе "включения" маркированная геномная последовательность заменялась гомологичными геномными последовательностями с определенными мутациями. Клеточные клоны могли быть выделены по их устойчивости к ганцикловиру из-за потери гена HSV tk, то есть ("негативный отбор"). Эта обычная двухступенчатая процедура маркировки и обмена могла быть упрощена после появления RMCE, которая взяла на себя и повысила эффективность этапа включения.
Интеграза PhiC31
Без сомнения, Ser-интегразы в настоящее время являются предпочтительным инструментом для интеграции трансгенов в ограниченное число хорошо изученных геномных сайтов-акцепторов, которые в основном (но не всегда) имитируют сайт attP фага, привлекая донорный вектор, содержащий attB. На данный момент наиболее известным представителем является PhiC31 INT, продемонстрировавшая свой потенциал в геномах человека и мыши. В отличие от рекомбиназ Tyr, PhiC31 INT действует однонаправленно, надёжно фиксируя донорный вектор в геномной мишени. Очевидным преимуществом этой системы является возможность использования немодифицированных, нативных сайтов attP (акцептор) и attB. Дополнительные преимущества (наряду с некоторыми осложнениями) могут возникнуть из-за того, что геномы мыши и человека сами по себе содержат ограниченное количество эндогенных мишеней (так называемых "псевдосайтов attP"). Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что значительные требования к последовательности ДНК позволяют интегразе распознавать меньше сайтов, чем ретровирусные или даже транспозазные системы интеграции, что открывает ей путь как превосходного переносчика для транспортировки и вставки в ряд хорошо установленных геномных сайтов, некоторые из которых обладают так называемыми свойствами "безопасной гавани". Используя специфические пути рекомбинации (attP x attB), становится возможным проведение RMCE без необходимости использования синтетических, гетероспецифических сайтов att. Однако это очевидное преимущество достигается за счёт определенных недостатков, таких как отсутствие контроля над типом или направленностью вставляемой (донорной) кассеты. Дальнейшие ограничения связаны с необратимостью процесса, которая не позволяет использовать стандартные мультиплексные RMCE-установки, включая "серийные" реакции RMCE, то есть многократный обмен кассет в заданном геномном локусе.
Перспективы
Анализ геномов человека и мыши привел к выявлению более 20 000 генов, кодирующих белки, и более 3 000 генов некодирующих РНК, которые регулируют развитие организма от оплодотворения через эмбриогенез до взрослого состояния. Несмотря на значительный прогресс, значимость редких вариантов генов остается центральной темой исследований. Одним из важнейших инструментов для масштабного изучения функций генов позвоночных стали генетические ресурсы мутантных эмбриональных стволовых клеток мыши. Для достижения этой цели в Европе и Северной Америке были созданы четыре международных программы, направленные на насыщение мутагенезом генома мыши (EUCOMM, KOMP, NorCOMM и TIGM). Эти хранилища ЭС-клеток, координируемые Международным консорциумом мышей-нокаутов (International Knockout Mouse Consortium, IKSC), доступны для обмена между международными исследовательскими группами. В настоящее время ресурсы включают мутации в 11 539 уникальных генах, 4 414 из которых – условные. Развитые технологии достигли уровня, позволяющего расширить их применение на другие виды млекопитающих и на стволовые клетки человека, особенно на клетки со статусом iPS (индуцированной плюрипотентности).