получение трансгенных животных. реферат получение трансгенных животных. Технология получения трансгенных животных
 Скачать 39.83 Kb.
|
|
Реферат По дисциплине: Вирусология и биотехнология Тема: «Технология получения трансгенных животных»
Первые трансгенные животные были получены в 1974 г. в Кембридже (США) Рудольфом Янишем в результате инъекции в эмбрион мыши ДНК вируса обезьяны SV40. Они содержат во всех своих клетках дополнительную ДНК-трансген, внедренную в клетки животного с хромосомами и там реализующуюся. Трансген наследуется, согласно законам Менделя. Причины создания Трансгенных растения и животные различаются степенью сложности своего создания. Животные используются для решения теоретических задач в биомедицине и сельском хозяйстве. Среди причин создания трансгенных организмов можно обозначить следующие: животные с геном гормона роста в равных условиях содержания выдают повышенные темпы роста; для усиления иммунитета к инфекциям; для получения биологически активных веществ; для получения человеческого белка от трансгенных животных; использование животных как биореакторов для получения медпрепаратов. Первые такие животные были получены в 1974 году в Кембридже ученым по имени Рудольф Яниш. Он в эмбрион мыши ввел ДНК-вирус обезьяны. В России первые трансгенные животные были выведены в 1982 году[3]. В отличие от растений, где существует возможность получения целого фертильного растения из одной трансформированной соматической клетки и вегетативное размножение, получение трансгенных животных - очень сложный и длительный процесс. Используемая стратегия состоит в следующем: Клонированный ген вводят в ядро оплодотворенной яйцеклетки. Оплодотворенные яйцеклетки с экзогенной ДНК имплантируют в рецепиентную женскую особь (поскольку успешное завершение развития эмбриона млекопитающих в иных условиях невозможно). Отбирают потомков, развившихся из имплантированных яйцеклеток, которые содержат клонированный ген во всех клетках. Скрещивают животных, которые несут клонированный ген в клетках зародышевой линии, и получают новую генетическую линию. Эксперименты по генетической модификации многоклеточных организмов путем введения в них трансгенов требуют много времени. Тем не менее, трансгеноз стал мощным инструментом для исследования молекулярных основ экспрессии генов млекопитающих и их развития, для создания модельных систем, позволяющих изучать болезни человека, а также для генетической модификации клеток молочных желез животных с целью получения с молоком важных для медицины белков. Был даже предложен новый термин «фарминг» (pharming), относящийся к процессу получения из молока трансгенных домашних животных аутентичных белков человека или фармацевтических препаратов[4]. Все имеющиеся методы переноса генов (трансгеноз) пока еще не очень эффективны. Для получения одного трансгенного животного в среднем необходимы микроинъекции ДНК в 40 зигот мышей, 90 зигот козы, 100 зигот свиньи, 110 зигот овцы и в 1600 зигот коровы. При трансгенозе могут возникать неожиданные проблемы. Одна из первых работ по генетической транформации животных проводились путем встраивания генов гормона роста. Перенос гена гормона роста крысы мышам увеличивал рост мышей в 2 раза. Эксперименты по трансгенозу генов гормона роста быка кроликам также увенчались успехом. А вот аналогичные эксперименты по модификации крупного рогатого скота привели к увеличению прироста всего на 10-20%[6]. В практических целях трансгенные животные используются различными зарубежными фирмами как коммерческие биореакторы, обеспечивающие производство разнообразных медицинских препаратов (антибиотиков, факторов свертываемости крови и др.). Кроме того, перенос новых генов позволяет получать трансгенных животных, отличающихся повышенными продуктивными свойствами (например, усиление роста шерсти у овец, понижение содержания жировой ткани у свиней, изменение свойств молока) или устойчивостью к различным заболеваниям, вызываемым вирусами и другими патогенами. В настоящее время человечество уже использует множество продуктов, получаемых с помощью трансгенных животных: медицинские препараты, органы, пища. Главными критериями в создании трансгенных особей являются их качественные и количественные показатели продуктивности, а не внешние признаки[5]. Генномодифицированные животные создаются преимущественно не для развлечения, а для рационального решения глобальных проблем, связанных с дальнейшим существованием человечества. Так, например, были созданы и уже успешно используются овцы с вполне обычной внешностью, которые вырабатывают молоко, содержащее фермент химозин. В молокоперерабатывающей отрасли он очень важен для производства твёрдых сыров. Раньше его получали только из сычуга (части многокамерного желудка) новорождённых жвачных животных: телят, ягнят, козлят. Для этого молодняк забивали в первые дни их жизни. Теперь же одна трансгенная овца за лактационный период (несколько месяцев) вырабатывает такое количество химозина, которого достаточно для производства тридцати тонн твёрдого сыра. Поголовье генномодифицированных, «химозиновых» овец насчитывает сегодня целое стадо! И можно только представить, сколько новорождённого молодняка жвачных животных было сохранено с помощью этого достижения генной инженерии[6]. Уже получены трансгенные рыбы нескольких видов, в генетический код которых добавлен ген, кодирующий повышенный синтез соматотрофного гормона (гормона роста), благодаря чему рыба растёт быстрее и вырастает крупнее своих обычных размеров. Примером может служить атлантический лосось фирмы «AquaBounty», который развивается в два раза быстрее обычного. Для достижения такого эффекта обычному лососю был внедрён участок гена угреобразной рыбы американская бельдюга, который увеличивает продуцирование соматотрофного гормона в организме лосося, причём независимо от температуры воды. Мясо нового лосося ничем не отличается от остальных представителей этого вида, но при этом время выращивания товарной рыбы сокращается вдвое! С помощью генной инженерии созданы также свиньи, у которых добавлен геном, кодирующий выработку пищеварительного фермента фитазы. Эти животные лучше переваривают и усваивают корм, благодаря чему повышается его конверсия и ускоряется рост свиней. В результате, при тех же затратах корма существенно повышается продуктивность животных, и мяса производится значительно больше[5]. Создание сельскохозяйственных животных, устойчивых к основным заболеваниям, которые наносят ощутимый материальный ущерб хозяйству и даже могут передаваться человеку, имеет большие экономические перспективы, т. к. это поможет избежать расходов на профилактику, лечение, устранение последствий заболеваний (дезинфекция, утилизация павших животных, карантинные ограничения и пр.), а также недополучения продукции. Например, ведутся исследования по решению проблемы лейкоза крупного рогатого скота, который вызывают РНК-содержащие вирусы. Введение в ядро генов, кодирующих антисмысловую РНК, теоретически должно сделать КРС устойчивым к лейкозу[4]. Эксперименты на кроликах уже дали положительный результат. Одно из подобных достижений – свиньи, поросята которых резистентны к диарее, что очень упрощает их выращивание. Уже сейчас существуют коровы с генами зебу, которые отличаются невосприимчивостью ко многим кровепаразитарным заболеваниям. Введенные в геном крупного рогатого скота гены зебу кодируют сразу несколько признаков, благодаря чему полученные трансгенные животные вместе с устойчивостью к болезням приобрели повышенную жаровыносливость и неприхотливость к кормовой базе. Методы создания трансгенных животных.Процесс создания очень длительный и непростой. Существует несколько основных способов создания генных модификаций у высших животных: - пронуклеарная микроинъекция; - использование вирусных конструкций; - использование эмбриональных стволовых клеток. Метод пронуклеарной микроинъекции.Один из наиболее удобных и часто используемых. Его преимущества состоят в том, что он универсален: с его помощью можно вмешиваться в геном любых животных. Этот метод позволяет получить быстрый результат: требуемые показатели проявляются уже в первом поколении. Он не имеет ограничений по размеру внедряемого участка ДНК. Если при использовании вирусных конструкций можно вставить только 8 – 10 тысяч пар нуклеотидов, то с помощью пронуклеарной микроинъекции можно ввести во много раз больше – 100 тысяч и даже несколько миллионов пар нуклеотидов! Т. е. за одно вмешательство можно ввести намного больше целевой генетической информации. Суть этого способа следующая: у отобранных самок животных искусственно стимулируют овуляцию и оплодотворяют вышедшие яйцеклетки. Затем, либо в ядро мужского пронуклеуса, либо в ядро создавшейся клетки на стадии зиготы внедряют с помощью специального оборудования (микроманипулятора) нужный участок ДНК (или генную конструкцию) [1]. После внедрения зиготу неделю (за это время целевой ген встраивается в геном клетки-рецепиента и изменённая клетка начинает своё развитие в многоклеточный модифицированный организм) культивируют в питательной среде с высоким содержанием углекислого газа (5%, как в живых тканях организма млекопитающих), затем на стадии морулы или ранней бластоцисты пересаживают в матку суррогатной матери. Крупным животным – коровам, кобылам, верблюдицам – пересаживают по две зиготы, козам и овцам по 3 – 4, свиньям и крольчихам по 20 – 30. После рождения приплод проверяют на присутствие нужной генетической информации и, в случае положительного результата, разводят «в себе» как основу будущей трансгенной популяции, используя отбор и подбор, как и в обычной племенной работе. Молодняк, рождённый от трансгенных животных, во всех дальнейших поколениях наследует его модифицированный набор генетической информации и связанные с этим свойства. Далеко не все попытки генных манипуляций заканчиваются успешно. На каждом этапе количество эмбрионов постоянно уменьшается на 10 – 20% по разным причинам. Какие-то гибнут, других отбраковывают сами учёные. Из тысячи яйцеклеток может получиться лишь несколько удачных трансгенных животных. Технология микроинъекции даёт хорошие по качеству результаты, но она слишком дорогая[9]. Создание одной минимальной популяции из нескольких трансгенных животных стоит от 60 до 300 тысяч долларов США. Кроме того, для осуществления необходимых действий нужен микроманипулятор и другое дорогостоящее оборудование. Метод с использованием вирусных конструкций.Намного дешевле создавать трансгенных животных с помощью вирусов. Для осуществления этого способа учёные сначала создают псевдовирус из обычного вируса. Суть преобразования состоит в том, что из вируса удаляют большинство его генов, оставляя только самые необходимые для его выживания, и прикрепляют нужный для создания трансгенного животного участок ДНК. После этого измененным, относительно безвредным вирусом обрабатывают зиготу. Вирус проникает в зиготу, самостоятельно встраивается в геном зиготы и одновременно встраивает нужный ген. Затем зиготу культивируют некоторое время в инкубаторе и трансплантируют в матку суррогатной матери, а по истечении срока беременности получают трансгенный молодняк. Это потомство тестируют на присутствие того гена, который планировалось ввести в его геном, отбирают нужных особей и размножают их с применением жёсткой выбраковки животных, не соответствующих заданным параметрам, искусственного отбора и подбора пар, как и в предыдущем случае[6]. Эффективность этого метода намного выше, чем микроинъекции – она составляет до 70%! Но есть и недостатки: не только чужой ген действует на геном эмбриона, но и сам геном влияет на чужеродный ген, изменяя его работу. Если вирус встроился в участок ДНК эмбриона, который активно не работает, то и этот целевой ген тоже работать не будет, несмотря не своё присутствие в геноме трансгенного животного. Впервые вирусы для переноса гена использовал Рудольф Яниш в 1970 году[7]. Метод с применением эмбриональных стволовых клетокЕго практикуют, в основном, в научных исследованиях, а не для модификации продуктивных сельскохозяйственных животных. Если коротко описать процесс, то упрощённо он выглядит так: сначала получают из клеточной массы бластоцисты мыши эмбриональные стволовые клетки. Затем их генетически модифицируют, внося нужный ген, после чего культивируют в питательной среде с 5%-ным содержанием углекислого газа и вводят в предварительно полученные зиготы на стадии бластоцисты. «Откорректированные» зиготы помещают в матки суррогатных матерей. Полученное потомство учёные проверяют на присутствие целевого гена, и отобранных трансгенных животных спаривают между собой, создавая таким образом целую трансгенную популяцию для научных исследований[2]. Для получения трансгенных животных использовались и другие методы, к которым относятся: применение сперматозоидов, обработанных экзогенной ДНК, для оплодотворения яйцеклеток в условиях invitro; использование липосом в качестве вектора чужеродной ДНК. Однако, эти методы имеют значительно менее широкое распространение, в сравнении с методом микроинъекции[2]. Использование трансгенных животных с современном мире.В настоящий момент исследования в данной области развиваются по нескольким направлениям: Создание новых животноводческих пород, дающих продукты с повышенным содержанием некоторых компонентов (например, в Великобритании существует стадо коров, молоко которых идеально подходит для приготовления сыра чеддер). Создание животных, способных продуцировать несвойственные их виду белки (например, сообщалось о разработках направленных на получение свиней, способных продуцировать интерферон человека). Создание трансгенных животных, являющихся донорами при трансплантациях органов человеку. Создание трансгенных животных может способствовать решению многих проблем, с которыми человечество сталкивается на всем протяжении своей истории. Это, прежде всего, продовольственная проблема и проблема создания лекарственных препаратов и их получения в достаточном количестве[5]. Технология создания трансгенных животных является одной из наиболее бурно развивающихся биотехнологий в последние 10 лет. Трансгенные животные широко используются как для решения большого числа теоретических задач, так и в практических целях для биомедицины и сельского хозяйства. Некоторые научные проблемы не могли бы быть решены без создания трансгенных животных. На модели трансгенных лабораторных животных проводятся широкие исследования по изучению функции различных генов, регуляции их экспрессии, фенотипическому проявлению генов, инсерционному мутагенезу и др. Трансгенные животные важны для различных биомедицинских исследований. Уже получены трансгенные коровы и козы, в молоке которых содержится человеческий белок лактоферрин[1]. Трансгенных животных получают и для целей ксенотрансплантации (пересадки органов человеку). Одним из излюбленных доноров органов являются свиньи, так как имеется анатомическое сходство органов и сходство иммунологических свойств. Реакции отторжения при трансплантации имеют сложный механизм. Одним из сигналов для атаки организма на чужой орган являются белки, локализованные на внешней поверхности мембраны. У трансгенных свиней эти белки заменены на человеческие[4]. Существует множество трансгенных животных, моделирующих различные заболевания человека (рак, атеросклероз, ожирение и др.). Так, получение трансгенных свиней с измененной экспрессией генов, определяющих отторжение органов, позволит использовать этих животных для ксенотрансплантации (пересадки органов свиньи человеку). В практических целях трансгенные животные используются различными зарубежными фирмами как коммерческие биореакторы, обеспечивающие производство разнообразных медицинских препаратов (антибиотиков, факторов свертываемости крови и др.). Кроме того, перенос новых генов позволяет получать трансгенных животных, отличающихся повышенными продуктивными свойствами (например, усиление роста шерсти у овец, понижение содержания жировой ткани у свиней, изменение свойств молока) или устойчивостью к различным заболеваниям, вызываемым вирусами и другими патогенами. В настоящее время человечество уже использует множество продуктов, получаемых с помощью трансгенных животных: медицинские препараты, органы, пища[7]. Проблемы при трансгенезеВысказываются необоснованные опасения, что, если трансгенные микробы и трансгенные растения и животные, не участвовавшие в эволюции наряду с «естественными» организмами, будут свободно выпущены в биосферу, это приведет к таким негативным последствиям, о которых ученые и не подозревают. Уже сейчас много говорится о переносе трансгенов в «обыкновенные» организмы, что может поменять генетическую программу животных и человека; об активизации дремлющих патогенных микробов и возникновении эпидемий ранее неизвестных заболеваний растений, животных и человека; о вытеснении природных организмов из их экологических ниш и новом витке экологической катастрофы; о появлении все уничтожающих на своем пути монстров и т. д. На основе этого делается вывод о необходимости запрета не только генных биотехнологий, но и научных исследований в данной области[8]. Для решения задачи генно-инженерного изменения количественных признаков животных, имеющих полигенную природу, очевидно, потребуется получение политрансгенных сельскохозяйственных животных только вследствие технических причин (поскольку для этого, возможно, потребуется осуществление многоступенчатого трансгенеза), но и из-за невозможности клонировать еще неизвестные гены. В связи с этим основной интерес большинства исследователей связан сейчас с генами, работа которых определяет относительно независимые морфофункциональные признаки животного (информационный генетический иммунитет, продукция белков животных и человека). Не исключено, однако, что на этом пути может быть получено положительное изменение каких-либо других хозяйственно-полезных признаков животных, определяемых единичными генами животных[5]. ЗаключениеРазвитие биотехнологии сельскохозяйственных животных, в том числе генная инженерия, открывает новые возможности развития животноводства. Важнейшим направлением генной инженерии является получение трансгенных особей с интегрированными в геном генными конструкциями, связанными с усилением иммунитета животных к инфекционным заболеваниям. Другим актуальным направлением генной инженерии животных является получение животных продуцентов биологически активных веществ, необходимых в медицине, ветеринарии и технологии переработки продуктов животноводства. Многие биологически активные вещества не могут производиться традиционными методами в достаточных количествах и с желательным качеством. Таким образом, главными критериями в создании трансгенных особей являются их качественные и количественные показатели продуктивности, а не внешние признаки. Генномодифицированные животные создаются преимущественно не для развлечения, а для рационального решения глобальных проблем, связанных с дальнейшим существованием человечества. Успехи в области молекулярной генетики и биологии гена должны обеспечить дальнейший прогресс в проблеме трансгенеза сельскохозяйственных животных, а, следовательно, в повышении эффективности и рентабельности производства многообразной животноводческой продукции. Основная проблема, которую нужно решить для того, чтобы создание любых трансгенных животных с помощью метода переноса ядер стало реальным, - это сохранение плюрипотентности клеток в непрерывной культуре. Используемая литератураГайнуллина, М.К. Биотехнология в животноводстве : 2019-08-14 / М.К. Гайнуллина, О.А. Якимов, А.Н. Волостнова. — Казань : КГАВМ им. Баумана, 2018. Якупов, Т.Р. Молекулярная биотехнология : учебник / Т.Р. Якупов, Т.Х. Фаизов. — Санкт-Петербург Акушерство, гинекология и биотехника репродукции животных : учебник / А.П. Студенцов, В.С. Шипилов, В.Я. Никитин [и др.] ; под редакцией Г.П. Дюльгера. — 10-е изд., стер. — Санкт-Петербург Трансгенные животные и возможности их использования. Молекулярно-генетические аспекты трансгенеза в животноводстве/Соавт.: Н.А. Зиновьева, Г. Брем; ВИЖ. Долгов, В.С. Интродукция растений и животных — основа селекции : учебник / В.С. Долгов. — Санкт-Петербург Госманов, Р.Г. Ветеринарная вирусология : учебник / Р.Г. Госманов, Н.М. Колычев, В.И. Плешакова. — 5-е изд., стер. — Санкт-Петербург. http://www.megabook.ru/ http://ru.wikipedia.org/wiki
|