Клеточная и генная инженерия животных

Направления использования клеточной и генной инженерии

Большое внимание уделяется созданию банков геномов и генов животных. Особенно это важно в отношении редких и исчезающих видов животных. Создаются также и банки клеток — спермы, яйцеклеток, эмбрионов. Клетки консервируются особым способом — криоконсервацией — и могут храниться долгие годы.

Ведутся большие работы и с соматическими клетками. В питательной среде они способны размножаться и образовывать клоны.

В настоящее время клонировано много генов, продуцирующих важные для науки и практики животные белки.

В промышленных масштабах в биореакторах с помощью клеток животных с такими генами налажено производство большого числа биологически активных белков, которые используются как медицинские препараты: эритропоэтин (используется при анемиях, обусловленных почечной недостаточностью), факторы свертываемости крови человека VIII и IX (применяют при лечении наследственной гемофилии для остановки кровотечений), активатор плазминогена (предотвращает образование тромбов), инсулин (его производят и на базе бактерий) и много других препаратов.

Особое значение имеет создание гибридом — гибридов между лимфоцитами и клетками миеломы (раковой опухоли).

В лимфоцитах синтезируются антитела, или иммуноглобулины, — в ответ на попадание чужеродного белка — антигена.

Если в организме человека оказывается чужеродный белок — антиген (например, бактерия определенного вида), в лимфоцитах начинается синтез антител именно к этому белку, которые попадают в кровь и поступают к месту, где находится антиген. Присоединение антитела к антигену делает антиген безвредным. Лимфоциты, выделенные из крови, не размножаются в культуре тканей. Поэтому получить в большом количестве какой-то определенный вид антител было невозможно. Методы клеточной инженерии позволили сливать лимфоциты с клетками миеломы. Миелома обладает способностью к неограниченным делениям. Гибридная клетка сочетает в себе свойства обоих «родителей». Из нее возникает клон клеток, которые быстро делятся (как миеломные) и синтезируют только один вид антител как исходный лимфоцит. Такие антитела, полученные из одного клона гибридомы, связывают только один белок — антиген. Их называют моноклональными антителами — мАТ.

Если мАТ «пришить» к какому-нибудь носителю, то он становится иммуносорбентом, т. е. быстро извлекает только один вид антигена из любой «грязной» смеси.

В медицине с помощью мАТ производится ранняя и быстрая диагностика ряда болезней, в том числе и опухолей: мАТ соединяют с радиоактивным йодом и вводят небольшую безопасную дозу больному. Появление радиоизлучения в определенной части тела подтвердит наличие опухоли. Используют мАТ и для лечения ряда болезней. Ведь мАТ «принесет» соединенный с ним йод высокой радиоактивности и токсическое вещество именно туда, где находится конкретная опухоль, чтобы ее уничтожить.

Самостоятельное и очень важное направление клеточной инженерии связано с ранними эмбриональными стадиями животных и человека.

Самое простое из них — оплодотворение яиц in vitro. Это сделало возможным преодолевать некоторые распространенные формы бесплодия у человека.

С помощью инъекции гормонов удается получить большое потомство от одного ценного производителя: от одной коровы до 80 яйцеклеток, искусственно оплодотворить их in vitro, дать им возможность несколько дней развиваться в пробирке, и на ранней стадии эмбрионального развития имплантировать в матку других коров. В течение 5—7 лет от одной коровы можно получить стадо в 300—500 животных.

У животных проводится отбор по полу эмбрионов, подготовленных для имплантации: гены, локализованные только в Y-хромосоме, продуцируют специфические белки, которые можно окрашивать флюоресцирующими антителами. Если использовать большую концентрацию этих антител, эмбрионы мужского пола погибают.

Отработан метод получения химерных животных (генетических мозаиков) путем слияния двух и даже трех 8-клеточных эмбрионов. Их предварительно освобождают от оболочек, прижимают друг к другу, и через некоторое время они сливаются, их клетки перемешиваются. Животные-химеры несут признаки 4 или 6 родителей. Если родители отличались заметными признаками (окрас шерсти или др.), то признаки эти мозаично проявляются у химер. Вариантом этого метода является внесение в эмбрион одной или нескольких клеток от другого эмбриона. Все это дает возможность изучать процессы клеточной дифференцировки, межклеточных взаимодействий. Получены и межвидовые химеры сельскохозяйственных животных: в результате объединения эмбрионов овцы и козы и имплантантных химерных эмбрионов в матку самок козы и овцы родились «овцекозы», сочетающие признаки обоих видов.

Межвидовые химеры получаются далеко не со всеми видами, химеры-овцекозы оказались бесплодными.

Несмотря на то, что химерные животные существуют только одно поколение, они представляют практический интерес: 1) в них можно сочетать ценные признаки животных разных пород — продуктивность, устойчивость к заболеваниям и т. д., которые обычно не встречаются у одного животного; 2) путем слияния с эмбрионами того же или близкого вида можно «спасти» генофонд ценного сельскохозяйственного животного или редкого представителя дикой фауны, эмбрионы которого по каким-то причинам не способны к самостоятельному развитию.

Достигнуты успехи в вегетативном размножении (клонировании) сельскохозяйственных животных: если 4-клеточные эмбрионы разделить пополам (по 2 клетки) или 8-клеточные на 4 части (каждая по 2 клетки), то из них развиваются нормальные однояйцевые близнецы. На этих стадиях клетки не теряют своей тотипотентности

(способности развивать целый организм). Таким методом получают однояйцевых близнецов от ценных овец, коров.

Вершиной достижения в области клонирования животных явилась трансплантация ядер из соматических клеток в яйцеклетки. Сначала она была осуществлена на лягушках. А в 1997 г. все средства массовой информации передали о потрясающем достижении шотландских генетиков, впервые в мире получивших овечку Долли — точную копию своей мамы. Из яйцеклетки было удалено ядро и вместо него встроено ядро, взятое из клетки вымени мамы Долли.

Трансгенные животные

Для переноса генов в целые животные организмы гены, клонированные в бактериях, впрыскивают в только что оплодотворившиеся яйцеклетки (зиготы) с помощью шприца или микропипетки, кончик которой вводят непосредственно в ядро (трансфекция). Кроме этого метода используют и другой — ген переносится в эмбрион с помощью вируса (трансдукция). Животные после переноса в них новых генов называются генетически трансформированными, но чаще их называют трансгенными.

Внесенные гены обязательно должны быть подключены к промотору и терминатору. Ген работает в клетках той ткани, откуда взят промотор. Одним из первых удачных экспериментов по созданию трансгенных животных было получение мышей, в геном которых встроен ген соматотропина — гормона роста крысы. Трансгенные мыши имели размер крысы, однако, а встроенный ген работал у них в клетках крови (откуда был взят промотор), а не в клетках гипофиза, как это бывает в норме. Это было обусловлено тем, что промоторы были из этих клеток.

При наличии соответствующих промоторов в клетках гипофиза трансгенных мышей синтезируется гормон роста человека, крысы, крупного рогатого скота, в поджелудочной железе синтезируется нормальный инсулин человека, в клетках крови — гемоглобин кролика и т. д.

В 1986 г. в США получены свиньи, несущие ген гормона роста человека. В 1987 г. совместно английскими и американскими учеными получены овцы, в клетки вымени которых введен ген фактора свертываемости крови человека. Молоко этих овец является лекарством против гемофилии. Есть овцы с геном интерферона в клетках вымени. Их молоко — лекарство против вирусов и злокачественных опухолей.